AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES UNIFAMILIARES EM LIGHT STEEL FRAMING

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO - ESCOLA DE MINAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES UNIFAMILIARES EM LIGHT STEEL FRAMING Ouro Preto, abril de 2007

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO - ESCOLA DE MINAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES UNIFAMILIARES EM LIGHT STEEL FRAMING AUTOR: ADRIANO PINTO GOMES ORIENTADOR: Prof. Dr. Henor Artur de Souza Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação do Departamento de Engenharia Civil da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto, como parte integrante dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil, área de concentração: Estruturas Metálicas. Ouro Preto, abril de 2007 II

3 G633a Gomes, Adriano Pinto. Avaliação do desempenho térmico de edificações unifamiliares em light steel framing [manuscrito] / Adriano Pinto Gomes xvi, 172f.: il., graf., tabs., mapas. Orientador: Prof. Dr. Henor Artur de Souza. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Departamento de Engenharia Civil. Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil. Área de concentração: Construção Metálica. 1. Estruturas metálicas - Teses. 2. Ventilação - Teses. 3. Engenharia térmica - Teses. I. Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. II. Título. CDU: Catalogação: sisbin@sisbin.ufop.br III

4 IV À minha família e à Karla

5 AGRADECIMENTOS À Universidade Federal de Ouro Preto, que proporcionou a realização deste trabalho. Ao meu orientador, Prof. Henor Artur de Souza, pela orientação e amizade. À professora Arlene M. Sarmanho Freitas, pelo apoio dado durante a elaboração desta dissertação. À Thalyta Rios, pela ajuda no aprendizado do programa EnergyPlus. À Rovadavia, pela ajuda no curso e amizade. Ao arquiteto Guilherme Jardim (USIMINAS), que cedeu um projeto de casa em Light Steel Framing para a simulação. À arquiteta Renata Crasto, pelo apoio técnico no entendimento do sistema Light Steel Framing. À CAPES, pelo fomento à pesquisa. Aos meus amigos, que me confortaram nos momentos difíceis. V

6 RESUMO Associadas à industrialização do processo construtivo no Brasil, têm sido desenvolvidas estruturas metálicas mais leves e econômicas, utilizando perfis formados a frio de aço galvanizado. Uma das soluções construtivas que empregam esses perfis é o sistema Light Steel Framing, que reproduz os princípios da industrialização da construção civil, como a racionalização, padronização, coordenação modular e transformação do canteiro de obras em linha de montagem. Porém, como a tecnologia do Light Steel Framing é recente no Brasil, há ainda algumas adaptações climáticas dos projetos a serem feitas, por ser o sistema de concepção importado e com uma linguagem típica de seu país de origem. Tendo em vista esses aspectos, neste trabalho faz-se a avaliação do desempenho térmico de duas edificações unifamiliares em Light Steel Framing, ventiladas naturalmente, via simulação numérica utilizando o software EnergyPlus. Realiza-se um estudo das temperaturas internas dos ambientes, considerando a resposta global da edificação e verificando o cumprimento das exigências de conforto térmico de seus usuários. Neste estudo são contempladas como regiões climáticas as cidades de Curitiba, Belo Horizonte, Brasília, Goiânia, Teresina e Belém, escolhidas de forma a contemplar o maior número possível de zonas bioclimáticas definidas na norma NBR 15220:2005 de desempenho térmico de edificações. Os fechamentos utilizados na análise foram classificados em função do atraso térmico recomendado pela norma NBR 15220:2005. Os resultados obtidos permitem constatar que para todos os casos, o uso dos fechamentos e cobertura com atraso térmico indicados pela norma foram capazes de amortecer os picos de calor num dia típico de verão. Como os modelos propostos contemplam edificações com zonas (cômodos) pequenas, a carga térmica interna (perfil de ocupação/iluminação/equipamentos) tem grande influência na resposta do ambiente às interações térmicas com o clima externo. VI

7 ABSTRACT Associated with the Brazilian construction industry, lighter and more economic metallic structures have been developed using galvanized cold-formed steel shapes. One of the solutions for construction that can be applied to these shapes is the Light Steel Framing System, which uses such construction industry principles as: logic, standardization, modular coordination, and assembly at the work site. However, the Light Steel Framing process is recent in Brazil, and is still undergoing some climatic adaptations for this country, since its concepts were first introduced in a foreign country and in that country's language. With these aspects in mind, in this work it is evaluated the thermal performance of two single-family constructions, employing Light Steel Framing in a naturally cooled atmosphere, was performed by simulation using the EnergyPlus thermal behavior software. Internal temperatures were studied, taking into consideration the overall response of the building and its compliance to personal comfort requirements for the inhabitants. In this study, the cities of Curitiba, Belo Horizonte, Brasilia, Goiânia, Teresina and Belém are contemplated as climatic regions, chosen to embrace the biggest possible number of defined bio-climatic zones in norm NBR 15220:2005 of thermal performance in constructions. The closings used in the analysis had been classified in function of the thermal delay recommended by norm NBR 15220:2005. The obtained results demonstrated that for all the cases, the use of outside walls and roofs with thermal insulation, according the Brazilian Standard NBR 15220:2005 for thermal performance in buildings, were able to cushion the peak heat temperatures of a typical summer. As the considered models contemplate constructions with small zones, the internal thermal load (occupation profile/illumination/equipment) has great influence in the reply of the environment to the thermal interactions with the external climate. VII

8 SUMÁRIO Resumo VI Abstract VII Lista de figuras XI Lista de tabelas XV CAPÍTULO I 1 INTRODUÇÃO Considerações iniciais Caracterização do problema Objetivos Objetivo geral Objetivos específicos Justificativa e importância Estrutura do trabalho 6 CAPÍTULO II 2 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA Introdução Carta Bioclimática de Olgyay Carta Bioclimática de Givoni de O programa Analysis Bio A Norma de Desempenho Térmico de Edificações Diretrizes construtivas para as cidades objeto de estudo Considerações sobre a Norma de Desempenho Térmico Discussão das recomendações de projeto Ventilação no verão Proteções solares Aquecimento solar e massa térmica no inverno O uso de vegetação Edifícios eficientes 38 VIII

9 2.7.1 Introdução A Casa Eficiente Certificação para edifícios eficientes Considerações finais 43 CAPÍTULO III 3 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING Introdução O sistema Light Steel Framing Tipos de perfis utilizados Painéis Lajes Coberturas Fundação O fechamento vertical no sistema LSF Características gerais Painéis de OSB Placas cimentícias Chapas de gesso acartonado Sistema Drywall Paredes Forros Alvenaria Isolamento térmico 67 CAPÍTULO IV 4 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES Considerações iniciais Simulação térmica de edificações não condicionadas Critérios de avaliação para edificações não condicionadas O programa EnergyPlus Metodologia adotada Caracterização das exigências humanas Caracterização das condições climáticas 80 IX

10 4.3.3 Caracterização dos modelos em LSF Modelo Modelo Caracterização e configuração dos fechamentos Propriedades termo-físicas dos materiais Composição dos fechamentos Parâmetros gerais de simulação Parâmetros da simulação Descrição das zonas térmicas Rotinas de ocupação dos modelos 100 CAPÍTULO V 5 RESULTADOS Modelo Resultados da avaliação na cidade de BELÉM Resultados da avaliação na cidade de BELO HORIZONTE Resultados da avaliação na cidade de CURITIBA Resultados da avaliação na cidade de GOIÂNIA Resultados da avaliação na cidade de BRASÍLIA Resultados da avaliação na cidade de TERESINA Modelo CAPÍTULO VI 6 CONCLUSÕES E SUGESTÕES Considerações finais Sugestões para futuras pesquisas 126 Referências Bibliográficas 127 ANEXO I 133 ANEXO II 150 X

11 LISTA DE FIGURAS CAPÍTULO II FIGURA 2.1 Carta bioclimática de Olgyay de FIGURA 2.2 Carta bioclimática adotada para o Brasil 12 FIGURA 2.3 Dados Climáticos de Curitiba plotados sobre a carta bioclimática 15 FIGURA 2.4 Dados Climáticos de Belo Horizonte plotados sobre a carta 16 bioclimática FIGURA 2.5 Dados Climáticos de Brasília plotados sobre a carta bioclimática 17 FIGURA 2.6 Dados Climáticos de Goiânia plotados sobre a carta bioclimática 18 FIGURA 2.7 Dados Climáticos de Teresina plotados sobre a carta bioclimática 19 FIGURA 2.8 Dados Climáticos de Belém plotados sobre a carta bioclimática 20 FIGURA 2.9 Carta bioclimática adaptada 22 FIGURA 2.10 Zoneamento bioclimático Brasileiro 23 FIGURA 2.11 Elevação: ventilação da cobertura, ventilação cruzada e ventilação do 31 piso sob a edificação FIGURA 2.12 Esquema de circulação de ar 32 FIGURA 2.13 Edifícos com a mesma área coberta e plantas diferentes 33 FIGURA 2.14 Edifício com menor carga térmica solar 33 FIGURA 2.15 Elevação: Uso da energia solar e inércia térmica nas paredes internas e 34 no piso FIGURA 2.16 Comparação da inércia térmica de uma parede real (q2) e de uma 35 parede fictícia de peso nulo (q1) FIGURA 2.17 Corte esquemático de uma parede de acúmulo térmico 36 FIGURA 2.18 Corte esquemático de uma parede com isolamento térmico externo 36 FIGURA 2.19 Corte esquemático de uma rua 37 FIGURA 2.20 Fachada da Casa Eficiente 39 FIGURA 2.21 Perspectivas da Casa Eficiente mostrando a insolação sobre as fachadas 40 cegas leste e oeste FIGURA 2.22 Croquis da planta indicando o uso de árvores como barreira para o 41 vento sul FIGURA 2.23 Corte esquemático da condomínio empresarial Primavera Office Green 42 CAPÍTULO III FIGURA 3.1 Protótipo USIframe 45 FIGURA 3.2 Condomínio em São Paulo com casas em Steel Framing feitas pela 45 Construtora Seqüência FIGURA 3.3 Esquema de uma residência em Light Steel Framing 47 FIGURA 3.4 Esquema estrutural do sistema Light Steel Framing 48 XI

12 FIGURA 3.5 Perfis típicos para uso em Light Steel Framing - U simples, U 48 enrijecido e Cartola FIGURA 3.6 Painel com contraventamento em X 50 FIGURA 3.7 Vigas de piso e contrapiso em OSB 51 FIGURA 3.8 Desenho esquemático de uma laje seca 52 FIGURA 3.9 Desenho esquemático de uma laje úmida 52 FIGURA 3.10 Estrutura do telhado de uma residência em LSF 53 FIGURA 3.11 Estrutura do telhado com placas de OSB como substrato de apoio 54 FIGURA 3.12 Detalhe de ancoragem da estrutura à fundação 55 FIGURA 3.13 Fachada com fechamento externo em OSB e placas de OSB 58 impermeabilizadas FIGURA 3.14 Esquema do embasamento elevado 59 FIGURA 3.15 Acabamento em Siding vinílico 60 FIGURA 3.16 Restimento das placas de OSB com argamassa aplicada sobre tela de 60 galinheiro FIGURA 3.17 Paredes simples 64 FIGURA 3.18 Paredes com duas camadas de gesso 65 FIGURA 3.19 Paredes incorporando tubulações internas 65 FIGURA 3.20 Parede de alta performance acústica 66 FIGURA 3.21 Fechamento de alvenaria de painéis LSF 67 FIGURA 3.22 Desenho esquemático de fechamento externo com EIFS 68 FIGURA 3.23 Revestimento externo em EIFS 69 CAPÍTULO IV FIGURA 4.1 Fluxograma dos principais elementos para a simulação térmica de uma 74 edificação condicionada pela ventilação natural FIGURA 4.2 Classificação do desempenho térmico da edificação 76 FIGURA 4.3 Interface do DesignBuilder 78 FIGURA 4.4 Carta solar para latitude S 81 FIGURA 4.5 Planta baixa do protótipo 82 FIGURA 4.6 Aplicação de gesso resistente à umidade no banheiro 82 FIGURA 4.7 Aplicação de chapa de OSB 83 FIGURA 4.8 Planta baixa do Modelo 1 (malha de 600 x 600 mm) 84 FIGURA 4.9 Elevação do Modelo 1 (malha de 600 x 600 mm) 85 FIGURA 4.10 Perspectiva do Modelo 1 (gerada após a simulação) 85 FIGURA 4.11 Planta baixa do Modelo 2 (1 pvto.) 86 FIGURA 4.12 Planta baixa do Modelo 2 (2 pvto.) 86 XII

13 FIGURA 4.13 Perspectiva do Modelo 2 (gerada após a simulação) 87 FIGURA 4.14 Influência do número de renovações do ar por hora na temperatura 102 interna da edificação FIGURA 4.15 Influência do perfil de ocupação nos ganhos internos de calor 102 FIGURA 4.16 Influência do uso de iluminação interna nos ganhos internos de calor 103 CAPÍTULO V FIGURA 5.1 FIGURA 5.2 FIGURA 5.3 FIGURA 5.4 FIGURA 5.5 FIGURA 5.6 FIGURA 5.7 FIGURA 5.8 FIGURA 5.9 FIGURA 5.10 FIGURA 5.11 FIGURA 5.12 FIGURA 5.13 FIGURA 5.14 FIGURA 5.15 FIGURA 5.16 FIGURA 5.17 FIGURA 5.18 FIGURA 5.19 Evolução temporal da temperatura com vegetação e solo do entorno coberto com grama (reflexão 0,2) para o dia típico de verão em Belém Evolução temporal da temperatura sem vegetação e solo do entorno em concreto (reflexão 0,4) para o dia típico de verão em Belém Comparação entre os resultados obtidos considerando a SALA para o dia típico de verão em Belém Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Belo Horizonte (ESQUEMA A ) Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Belo Horizonte (ESQUEMA B ) Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Belo Horizonte (ESQUEMA C ) Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Belo Horizonte (ESQUEMA D ) Comparação dos esquemas A, B, C e D considerando a sala para o dia típico de verão em Belo Horizonte Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Curitiba (ESQUEMA A ) Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Curitiba (ESQUEMA B ) Comparação entre a cobertura com laje seca leve (Esquema A ) e isolada (Esquema B ) considerando a sala para o dia típico de verão em Curitiba Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Goiânia (ESQUEMA A ) Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Goiânia (ESQUEMA B ) Comparação entre os fechamentos pesados (Esquema A ) e o tradicional (Esquema B ) considerando a sala para o dia típico de verão em Goiânia Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Brasília (ESQUEMA A ) Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Brasília (ESQUEMA B ) Comparação entre os fechamentos com acabamento em siding (Esquema A ) e argamassa (Esquema B ) considerando a sala para o dia típico de verão de Brasília Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Teresina (ESQUEMA A ) Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Teresina (ESQUEMA B ) XIII

14 FIGURA 5.20 FIGURA 5.21 FIGURA 5.22 FIGURA 5.23 FIGURA 5.24 FIGURA 5.25 FIGURA 5.26 FIGURA 5.27 FIGURA 5.28 FIGURA 5.29 FIGURA 5.30 Comparação entre cobertura com laje úmida pesada (Esquema A ) e seca leve (Esquema B ) considerando a sala para o dia típico de verão em Teresina Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Belo Horizonte - 1 pvto (ESQUEMA A ) Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Belo Horizonte - 2 pvto (ESQUEMA A ) Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Belo Horizonte - 1 pvto (ESQUEMA B ) Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Belo Horizonte - 2 pvto (ESQUEMA B ) Comparação entre fechamento tradicional (Esquema A ) e pesado (Esquema B ) considerando o QUARTO 1 (2 pvto.) e ESCRITÓRIO (1 pvto.) para o dia típico de verão em Belo Horizonte Evolução temporal da temperatura para o dia típico de inverno em Belo Horizonte - 1 pvto (ESQUEMA A ) Evolução temporal da temperatura para o dia típico de inverno em Belo Horizonte - 2 pvto (ESQUEMA A ) Evolução temporal da temperatura para o dia típico de inverno em Belo Horizonte - 1 pvto (ESQUEMA B ) Evolução temporal da temperatura para o dia típico de inverno em Belo Horizonte - 2 pvto (ESQUEMA B ) Comparação entre fechamento tradicional (Esquema A ) e pesado (Esquema B ) considerando o QUARTO 1 (2 pvto.) e ESCRITÓRIO (1 pvto.) para o dia típico de inverno em Belo Horizonte XIV

15 LISTA DE TABELAS CAPÍTULO II TABELA 2.1 Normais Climatológicas de Curitiba 14 TABELA 2.2 Percentual de horas para cada estratégia em Curitiba 15 TABELA 2.3 Normais Climatológicas de Belo Horizonte 15 TABELA 2.4 Percentual de horas para cada estratégia em Belo Horizonte 16 TABELA 2.5 Normais Climatológicas de Brasília 17 TABELA 2.6 Percentual de horas para cada estratégia em Brasília 17 TABELA 2.7 Normais Climatológicas de Goiânia 18 TABELA 2.8 Percentual de horas para cada estratégia em Goiânia 18 TABELA 2.9 Normais Climatológicas de Teresina 19 TABELA 2.10 Percentual de horas para cada estratégia em Teresina 19 TABELA 2.11 Normais Climatológicas de Belém 20 TABELA 2.12 Percentual de horas para cada estratégia em Belém 20 TABELA 2.13 Aberturas para ventilação e sombreamento das aberturas para a zona 24 bioclimática 1 TABELA 2.14 Tipos de vedações externas para a zona bioclimática 1 24 TABELA 2.15 Estratégias de condicionamento térmico passivo para a zona 25 bioclimática 1 TABELA 2.16 Aberturas para ventilação e sombreamento das aberturas para a zona 25 bioclimática 3 TABELA 2.17 Tipos de vedações externas para a zona bioclimática 3 25 TABELA 2.18 Estratégias de condicionamento térmico passivo para a zona 25 bioclimática 3 TABELA 2.19 Aberturas para ventilação e sombreamento das aberturas para a zona 26 bioclimática 4 TABELA 2.20 Tipos de vedações externas para a zona bioclimática 4 26 TABELA 2.21 Estratégias de condicionamento térmico passivo para a zona 26 bioclimática 4 TABELA 2.22 Aberturas para ventilação e sombreamento das aberturas para a zona 27 bioclimática 6 TABELA 2.23 Tipos de vedações externas para a zona bioclimática 6 27 TABELA 2.24 Estratégias de condicionamento térmico passivo para a zona 27 bioclimática 6 TABELA 2.25 Aberturas para ventilação e sombreamento das aberturas para a zona 27 bioclimática 7 TABELA 2.26 Tipos de vedações externas para a zona bioclimática 7 28 TABELA 2.27 Estratégias de condicionamento térmico passivo para a zona bioclimática 7 28 XV

16 TABELA 2.28 Aberturas para ventilação e sombreamento das aberturas para a zona bioclimática 8 TABELA 2.29 Tipos de vedações externas para a zona bioclimática 8 28 TABELA 2.30 Estratégias de condicionamento térmico passivo para a zona bioclimática CAPÍTULO III TABELA 3.1 Dimensões nominais usuais de perfis de aço (conforme NBR 6355) 49 TABELA 3.2 Espessura mínima das placas de OSB de acordo com espaçamento 58 entre montantes e tipo de revestimento TABELA 3.3 Relação entre espessura da placa cimentícia e aplicação 61 TABELA 3.4 Espessura dos materiais isolantes 64 TABELA 3.5 Metragem máxima dos forros em Drywall 66 CAPÍTULO IV TABELA 4.1 Elementos de construção das superfícies 88 TABELA 4.2 Resistência das câmaras de ar não ventiladas 89 TABELA 4.3 Características dos vidros utilizados em portas e janelas 89 TABELA 4.4 Fechamentos internos pesados 91 TABELA 4.5 Fechamentos internos leves 92 TABELA 4.6 Fechamentos externos leves e tradicional 93 TABELA 4.7 Fechamentos externos pesados 94 TABELA 4.8 Fechamentos externos pesados (continuação) 95 TABELA 4.9 Laje úmida pesada 96 TABELA 4.10 Laje seca isolada 97 TABELA 4.11 Laje seca leve 98 TABELA 4.12 Horário de ocupação de pessoas no dia de projeto 100 TABELA 4.13 Consumo de eletrodomésticos 100 XVI

17 CAPÍTULO I 1 INTRODUÇÃO 1.1 Considerações iniciais Atualmente, a construção civil no Brasil é primordialmente artesanal e baseada na improvisação, sendo caracterizada pelo desperdício de tempo, material, mão-de-obra e capital (SALES, 2001). Para mudar essa situação, o mercado nacional tem buscado a otimização dos sistemas de todos os campos da produção, tanto na qualidade dos produtos empregados na construção civil, quanto no processo de produção; sem aumentar significativamente os custos, a fim de se tornarem competitivos (CRASTO, 2005). Nessa busca por inovação, são importadas grandes variedades de materiais, equipamentos e práticas tecnológicas. Para que o mercado nacional da construção civil alcance uma real inovação tecnológica, não basta somente importar sistemas funcionais não adaptados a realidade do país. Os componentes introduzidos devem estar associados ao processo de produção e as reais condições de execução do mercado (SALES, 2001). Para a otimização dos custos, redução de tempo de execução e melhoria do desempenho e qualidade, as edificações em estrutura metálica e sistemas industrializados complementares aparecem como uma ótima opção. No Brasil, somente a partir da década de 80 houve uma maior demanda por edificações comerciais e residenciais estruturadas em aço (CASTRO, 1999). Embora tenha se estabelecido no País uma cultura do concreto, o sistema estrutural em aço está sendo redescoberto pelos projetistas e empreendedores da construção, uma vez que esse sistema apresenta grande potencial para desenvolvimento das construções industrializadas, possibilitando a racionalização e exatidão do processo construtivo (SALES, 2001). Ao longo dos últimos anos, a construção metálica vem se consolidando como uma forte alternativa tecnológica no cenário da construção civil brasileira. A estrutura metálica

18 INTRODUÇÃO tem sido cada vez mais utilizada em edifícios de múltiplos andares no Brasil e, em particular, em habitações residenciais. O emprego desta tecnologia construtiva, aliada à eficiência de uma construção industrializada, tem gerado uma série de vantagens construtivas sob o ponto de vista dos diversos segmentos envolvidos na construção civil: o empreendedor, o construtor, os arquitetos e os engenheiros. Dentre os aspectos positivos, destacam-se: a precisão construtiva, o custo competitivo e a rapidez na execução da obra. Associadas à industrialização do processo construtivo, têm sido desenvolvidas estruturas metálicas mais leves e econômicas, utilizando perfis formados a frio de aço galvanizado. Segundo Crasto (2005), no Brasil a utilização na construção civil de estruturas metálicas compostas por perfis formados a frio está em fase de rápido crescimento, devido às vantagens que o emprego destes perfis oferece. Uma das soluções construtivas que empregam os perfis formados a frio de aço galvanizado é o sistema Light Steel Framing (LSF), que tem despertado grande interesse no mercado nacional. O Light Steel Framing é um sistema construtivo de concepção racional caracterizada pelo uso de perfis formados a frio de aço galvanizado compondo sua estrutura e por subsistemas que proporcionam uma construção industrializada e a seco 1. Trata-se de um sistema que reproduz os princípios da industrialização da construção civil, como a racionalização, padronização, coordenação modular e transformação do canteiro de obras em linha de montagem; além de apresentar relativa redução de custos. O Light Steel Framing surge como uma alternativa, devido à facilidade de execução e obtenção dos seus elementos constituintes, e por ser uma tecnologia já amplamente empregada no exterior 2. 1 CRASTO, Renata Cristina Moraes de. Arquitetura e tecnologia em sistemas construtivos industrializados: light steel framing f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, p Este sistema construtivo tem sido amplamente utilizado em países como Estados Unidos, Inglaterra, Japão, Canadá e Austrália. 2

19 INTRODUÇÃO Esse sistema também representa uma tecnologia limpa, porque minimiza o uso de recursos naturais e de entulho e permite uma construção a seco, unindo diversos sistemas ou produtos industrializados compatíveis entre si. Assim, essa nova tecnologia tem se mostrado uma grande alternativa para construções habitacionais de médio e alto padrão, que demandam pouca carga e pequenos vãos. Sob um ponto de vista mais amplo, a qualidade ambiental dos espaços habitacionais está intimamente relacionada a uma resposta adequada aos condicionantes climáticos do local onde a edificação estiver inserida. Para se obter condições de conforto térmico compatíveis com as exigências dos usuários e racionalizar o consumo de energia, é necessário tratar a questão do desempenho térmico desde a concepção arquitetônica desses edifícios. Como afirmam Frota e Schiffer (2003), mesmo em condições climáticas muito rígidas, devem-se procurar soluções de projeto que maximizem o desempenho térmico natural, visto que se pode evitar ou reduzir os sistemas de condicionamento artificial de ar, otimizando o consumo de energia na edificação. Para manter a qualidade térmica no interior das habitações estruturadas em aço, podemse utilizar diversos recursos de projeto, como os dispositivos de proteção solar (brises e telas metálicas), novos sistemas de fechamento, elementos arquitetônicos que melhorem as condições da ventilação natural, novos materiais isolantes, dentre outros. Porém, dentre os sistemas complementares utilizados nas edificações estruturadas em aço, o sistema de fechamento é o mais importante, uma vez que está diretamente relacionado ao conforto térmico dos usuários (FRANSOZO, 2003). Nesse sentido, a avaliação do desempenho térmico de edificações é outro fator importante, pois, verificando as condições do ambiente interno de uma habitação em relação ao conforto térmico proporcionado aos ocupantes, ainda em fase de projeto, garante-se uma edificação com resposta térmica adequada com mínimo gasto de energia. 3

20 INTRODUÇÃO 1.2 Caracterização do problema No Brasil, a tecnologia do sistema Light Steel Framing é recente. Somente no final da década de 90 esse sistema começou a ser introduzido no país para a montagem de casas residenciais. Há ainda algumas adaptações climáticas dos projetos a serem feitas, por ser o sistema de concepção importado e com uma linguagem típica de seu país de origem. Segundo Crasto (2005), no Brasil não há estudos sobre o comportamento e desempenho térmico de edificações construídas em LSF, portanto ainda não é possível avaliar quais condições de fechamento são melhores para determinadas regiões do país 3. Em relação ao sistema construtivo, existem trabalhos que visam à padronização do Light Steel Framing no Brasil. O CBCA (Centro Brasileiro da Construção em Aço) disponibiliza dois manuais que tratam do sistema Light Steel Framing: um sobre arquitetura do LSF (FREITAS e CRASTO, 2006) e um segundo sobre cálculo estrutural do LSF (RODRIGUES, 2006). A Caixa Econômica Federal (CEF, 2003) tem usado um manual baseado em normas americanas, a fim de fornecer subsídios suficientes para o estabelecimento de critérios de análise de solicitação de financiamento para a construção de edificações com este sistema. Tendo em vista esses aspectos, esta pesquisa se coloca como uma contribuição para a análise do desempenho térmico dos sistemas de fechamento específicos utilizados no sistema Light Steel Framing. 1.3 Objetivos Objetivo geral Avaliar duas edificações em Light Steel Framing, ventiladas naturalmente, por meio de um software de simulação do comportamento térmico (EnergyPlus); realizando um 3 CRASTO, Renata Cristina Moraes de. Arquitetura e tecnologia em sistemas construtivos industrializados: light steel framing f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, p

21 INTRODUÇÃO estudo das temperaturas internas dos ambientes, considerando a resposta global da edificação e verificando o cumprimento das exigências de conforto térmico de seus usuários Objetivos específicos Identificar as estratégias bioclimáticas mais adequadas ao clima das regiões de interesse (Curitiba, Belo Horizonte, Brasília, Goiânia, Teresina e Belém); Estudar o software computacional EnergyPlus; Verificar o desempenho térmico das edificações por meio de simulação numérica utilizando o software EnergyPlus; Avaliar o desempenho térmico de duas habitações unifamiliares em Light Steel Framing fazendo um estudo comparativo do desempenho térmico dos elementos externos e internos de fechamento específicos para este sistema; Comparar os resultados da simulação numérica. 1.4 Justificativa e importância Torna-se cada vez mais importante considerar os componentes energético-climáticos nas relações que determinam as decisões de projeto, uma vez que o manejo e o controle do consumo de energia na edificação se tornaram uma necessidade em nível mundial e, em especial, no contexto brasileiro. Para que isto seja possível, os conceitos de arquitetura bioclimática aplicados à eficiência energética nas edificações devem estar de acordo com a disponibilidade de técnicas, de materiais e do processo construtivo das construções metálicas. Por outro lado, é de grande importância a tropicalização do sistema LSF, uma vez que o Brasil possui um conjunto de condições climáticas e usuários bem diferentes dos países que dominam a tecnologia desse sistema. É necessário adequar a tecnologia da construção ao meio e ao cliente, e não o contrário (SALES, 2001). 5

22 INTRODUÇÃO Diante dessas considerações, a pesquisa relacionada à avaliação do desempenho térmico de habitações em Light Steel Framing é um assunto de grande importância para a ampliação e consolidação desse sistema construtivo no contexto brasileiro. Os resultados permitem o estabelecimento de tipos de fechamentos verticais que garantam conforto térmico nas edificações da região de interesse, oferecendo uma alternativa consistente aos sistemas construtivos comumente utilizados em habitações de interesse social. 1.5 Estrutura do trabalho Além deste capítulo introdutório que descreve o panorama geral das edificações em Light Steel Framing no Brasil, a dissertação é constituída por mais cinco capítulos e um anexo. No CAPÍTULO II faz-se uma revisão bibliográfica sobre bioclimatologia aplicada às edificações, apresentando um contexto histórico das metodologias de intervenção bioclimática. São apresentadas as estratégias de projeto para cada cidade analisada, realizando um estudo dessas estratégias. Por último é apresentado um estudo de caso de um edifício eficiente. No CAPÍTULO III faz-se uma revisão bibliográfica sobre o sistema Light Steel Framing, enfocando o fechamento vertical. É dada prioridade as características necessárias à simulação dos modelos. No CAPÍTULO IV faz-se uma revisão bibliográfica sobre a metodologia de avaliação do desempenho térmico, apresentando-se a metodologia adotada. São apresentados todos os parâmetros necessários à simulação do desempenho térmico dos modelos. No CAPÍTULO V são apresentados os resultados da simulação dos modelos, considerando configurações de fechamento e condições climáticas diferentes. 6

23 INTRODUÇÃO No CAPÍTULO VI são apresentadas as conclusões obtidas a partir da análise dos resultados da simulação, além de destacar sugestões para futuras pesquisas. No ANEXO I apresentam-se as características dos dias típicos de projeto para as regiões consideradas (Curitiba, Belo Horizonte, Brasília, Goiânia, Teresina e Belém) e as trajetórias solares para cada região. No ANEXO II apresentam-se as tabelas de temperaturas internas dos ambientes resultantes da simulação em cada cidade. 7

24 CAPÍTULO II 2 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA 2.1 Introdução Um projeto arquitetônico deve se adaptar às características do meio em que está inserido. De acordo com Romero (1998), os exemplos de boa arquitetura, representados pelas construções e traçados primitivos, são realizações que evidenciam um profundo conhecimento do lugar da implantação do projeto. Dessa forma, se forem estabelecidos princípios que considerem as inter-relações do ambiente com o espaço construído, estarse-ia contribuindo para a construção de edificações com adequação térmica e salubridade ambiental. Segundo Goulart et al. (1994), a arquitetura bioclimática utiliza a tecnologia baseada na correta aplicação dos elementos arquitetônicos com o objetivo de fornecer ao ambiente construído, um alto grau de conforto higrotérmico com baixo consumo de energia. Se na etapa de concepção arquitetônica os princípios bioclimáticos forem incorporados, será permitido implantar sistemas passivos de condicionamento térmico, minimizando os efeitos climáticos indesejáveis. Algumas metodologias diretas de bioclimatologia aplicada às edificações utilizam cartas bioclimáticas, que associam o comportamento climático do entorno e as estratégias indicadas para cada período do ano com uma zona de conforto térmico. Neste capítulo, faz-se uma revisão sobre os principais métodos de avaliação bioclimática para definir as estratégias de projeto mais adequadas ao clima das cidades contempladas na simulação dos modelos. No final do capítulo é apresentado um estudo de caso de um edifício no Brasil que incorpora os conceitos de melhoria do desempenho energético.

25 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA 2.2 Carta Bioclimática de Olgyay Olgyay (1963) foi pioneiro em estender a aplicação da bioclimatologia à arquitetura considerando as condições de conforto térmico humano. Este autor criou o termo projeto bioclimático fazendo referência a uma concepção arquitetônica, que por meio de seus próprios elementos, utiliza as condições favoráveis do clima a fim de satisfazer as exigências de conforto térmico do homem. Na década de sessenta, Olgyay (1963) desenvolveu uma carta bioclimática considerando os dados do clima externo na proposição de estratégias de adaptação da arquitetura ao clima. A carta possui ao redor da zona de conforto os elementos climáticos indicados com curvas, que fornecem os procedimentos necessários de correção para restabelecer-se a sensação de conforto. No gráfico, relacionam-se as variáveis de temperatura de bulbo seco e umidade relativa e definem-se zonas de ventilação, irradiação solar, sombreamento e resfriamento evaporativo (FIG. 2.1). Segundo Olgyay 1 (apud GOULART, S. et al., 1994), o uso do diagrama é aplicável somente a habitantes da zona temperada dos Estados Unidos, usando roupas comuns (1CLO), exercendo atividade sedentária ou leve, em altitudes inferiores a 300 m acima do nível do mar e latitude de aproximadamente 40 graus. Devido a essa limitação, o próprio autor revisou a carta original em 1968, adaptando o diagrama bioclimático para regiões mais quentes ao desenvolver seus estudos na Colômbia, considerado a aclimatização dos habitantes desta região. Nesta nova carta, pode-se analisar, conforme a zona de conforto adotada, tanto climas temperados quanto quentes e úmidos. Olgyay 2 (apud MACIEL, 2002) fez indicações para esta nova carta contemplar outras latitudes, mas não considerou diferentes altitudes. 1 OLGYAY, V. Design with Climate. New Jersey: Princeton University Press, OLGYAY, V. Clima e arquitetura em Colômbia. Colômbia: Faculdade de Arquitetura,

26 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA FIGURA 2.1 Carta bioclimática de Olgyay de Fonte: IZARD, J. L.; GUYOT, A., 1980, p. 15. Embora se deva reconhecer a importância do trabalho de Olgyay (1963) como pioneiro em estudos de bioclimatologia aplicada à arquitetura, o método desenvolvido por esse autor possui algumas limitações. A partir de estudos realizados na Austrália, Koenigsberger et al. 3 (apud GOULART, S. et al., 1994) adaptaram a carta de Olgyay de 1963 a países quentes e observaram que as conclusões desse autor, apesar de válidas, não serviam como índice de conforto térmico. Izard e Guyot (1980) afirmam que: A necessidade de bloquear a radiação solar depende de outros fatores como, por exemplo, a inércia térmica da edificação e a amplitude das temperaturas externas, não podendo, portanto, ser representada por uma simples linha calcada numa só temperatura. 3 KOENIGSBERGER, O. H. et al. Viviendas y edifícios en zonas cálidas y tropicales. Madrid: Paraninfo,

27 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA Os autores também alertam, dentre outros fatores, que a umidade relativa não é um bom critério para avaliar o conforto térmico, sendo a umidade absoluta um parâmetro mais indicado. Givoni 4 (apud GOULART, S. et al., 1994) relata que o método é suscetível de aplicação em regiões úmidas, onde a ventilação é essencial durante o dia e há pouca diferença entre as condições internas e externas. A maior crítica que pode ser feita as cartas de Olgyay (1963, 1968) é o fato de elas serem consideradas totalmente abertas ao meio externo, desconsiderando as características da edificação. 2.3 Carta Bioclimática de Givoni de 1992 Com o objetivo de selecionar uma carta bioclimática a ser adotada para o Brasil, Goulart et al. (1994) analisaram vários métodos de projeto direto que aplicam a bioclimatologia às edificações. A partir das análises, concluiu-se que a metodologia mais apropriada ao clima tropical era a carta bioclimática de Givoni (1992) para países em desenvolvimento. A carta de Givoni de 1992 se baseia em temperaturas internas do edifício, diferentemente de Olgyay, que aplicava seu diagrama estritamente para as condições externas (LAMBERTS et al., 1997). Nesta carta foram expandidos os limites máximos de conforto, incluindo uma faixa maior de variação de fatores ambientais como a temperatura e velocidade do vento; considerando a aclimatização de pessoas que vivem em regiões caracterizadas por este tipo de clima (FIG. 2.2). 4 GIVONI, B. Man, climate and architecture. 2. ed. London: Applied Science,

28 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA FIGURA 2.2 Carta bioclimática adotada para o Brasil. Fonte: GOULART, S. et al., 1997, p. 10. Na carta são definidas nove regiões, as quais são discutidas a seguir: 1 Zona de Conforto: Para as condições climáticas que resultem nos pares psicrométricos (temperatura do ar seco e umidade absoluta) registrados nesta zona, há uma grande probabilidade das pessoas perceberem a sensação de conforto térmico. 2 Zona de Ventilação: Por meio da substituição do ar interno (mais quente) pelo externo (mais frio) pode-se alcançar o conforto com a estratégia de resfriamento natural. Nesta zona a temperatura e umidade são elevadas. 3 Zona de resfriamento evaporativo: O resfriamento evaporativo pode ser utilizado para atingir a sensação de conforto, aumentando a umidade relativa do ar e diminuindo sua temperatura. 12

29 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA 4 - Zona de Massa Térmica para Resfriamento: Nesta zona, recomenda-se o uso de componentes construtivos com inércia térmica elevada em climas quentes e secos, para que a amplitude da temperatura interior diminua em relação à exterior. 5 Zona de refrigeração artificial: Quando as estratégias de ventilação, resfriamento evaporativo e massa térmica não proporcionam as condições desejadas de conforto, é necessário o uso de resfriamento artificial. 6 Zona de umidificação: Zona caracterizada pela temperatura do ar menor que 27 C e umidade relativa abaixo de 20%. Nesta zona é recomendada a estratégia de umidificação do ar para melhorar a sensação de conforto térmico. 7 - Zona de Massa Térmica e Aquecimento Solar Passivo: Neste caso, é recomendável a adoção de paredes com maior inércia térmica com o objetivo de reduzir as perdas do calor gerado no interior da edificação para o exterior mais frio. 8 - Zona de Aquecimento Solar Passivo: Zona caracterizada pela baixa temperatura do ar. Por meio de algumas estratégias como superfícies envidraçadas orientadas para o sol, orientação adequada da edificação e de cores que aumentem os ganhos de calor pode-se elevar a temperatura do ar interior. 9 Zona de aquecimento artificial: Zona em que o conforto térmico não pode ser atingido utilizando-se apenas condicionamento térmico passivo, pois se trata de locais extremamente frios. Deve-se utilizar aquecimento artificial e isolar as paredes e coberturas dos ambientes para evitar perdas de calor para o ambiente externo. Um projeto torna-se ainda mais eficiente quando se pode conciliar e/ou combinar estas estratégias bioclimáticas previstas na carta. O método de Watson e Labs de 1983 foi combinado com a carta adotada por possibilitar a quantificação das estratégias sugeridas, principalmente, quando as condições climáticas encontram-se dentro de 13

30 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA zonas de interseção. Esse método faz análise de dados climáticos horários, fazendo uso do Test Refence Year (TRY) ou Ano Climático de Referência 5. O Ano Climático de referência (TRY) é baseado na eliminação de anos de dados que contenham temperaturas médias mensais extremas (altas ou baixas). Aplicando os dados do TRY na carta de Givoni de 1992 é possível conhecer o comportamento da temperatura e umidade relativa do ar ao longo do ano, identificando o percentual das estratégias mais indicadas para a edificação. Por meio da combinação da carta bioclimática de Givoni de 1992 para países de clima quente em desenvolvimento e do método de Watson e Labs de 1983, Goulart et al. (1997) deram prosseguimento a esse estudo gerando cartas para 14 cidades brasileiras; validando esse método. 2.4 O programa Analysis Bio O software Analysis Bio, desenvolvido pelo Laboratório de Eficiência Energética em Edificações da Universidade Federal de Santa Catarina (LABEEE/UFSC), plota os dados de temperatura e umidade do TRY, das normais climatológicas ou de dados inseridos manualmente sobre a carta bioclimática de Givoni de 1992 para países de clima quente e em desenvolvimento. O programa permite a visualização da distribuição dos dados climáticos, o cálculo da percentagem de horas do ano em que se encontra conforto ou não e o percentual das estratégias mais indicadas para a edificação. Nas TAB. 2.1 a 2.12 e nas FIG. 2.3 a 2.8 são apresentados os dados para as cidades objeto de estudo. TABELA 2.1 Normais Climatológicas de Curitiba VAR JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 1 25,6 25,8 24,9 22,3 21,1 18,3 19,4 20,9 21,3 22,6 24,5 25,4 2 15,8 16,3 15,4 12,8 10,2 7,8 8,1 9,2 10,8 12, ,4 3 19,6 19, ,7 14,6 12,2 12, ,5 18,2 19, ,4 910,3 911,2 912,4 913,4 914,3 915,1 914,0 913,3 911,6 910,1 909,4 Variáveis: 1. Temperaturas médias máximas (ºC) 2. Temperaturas médias mínimas ( C) 3. Temperaturas médias ( C) 4. Umidades relativas médias (%) 5. Pressões barométricas (hpa) Fonte: UFSC, A análise bioclimática de um local deve ser feita a partir dos dados climáticos disponíveis. Segundo Lamberts et al. (1997), o ideal seria usar o Ano Climático de Referência (TRY), que possui valores horários de temperatura e umidade relativa; mas pode-se também utilizar as Normais Climatológicas, que possuem valores médios para vários locais do Brasil. 14

31 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA ZONAS: 1. Conforto 2. Ventilacao Resfriamento Evaporativo Ar Condicionado 6. Umidificação Massa Térmica/ Aquecimento Solar Aquecimento Solar Passivo Aquecimento Artificial Vent./ Massa/ Resf. Evap. 12.Massa/ Resf. Evap TBU[ C] UFSC - ECV - LabEEE - NPC TBS[ C] W[g/kg] FIGURA 2.3 Dados Climáticos de Curitiba plotados sobre a carta bioclimática adaptada de Givoni (1992) por meio do software Analysis Bio 2 Avaliação bioclimática pelas normais climatológicas. TABELA Percentual de horas para cada estratégia em Curitiba MESES (%) JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Conforto 71,95 69,98 70,72 45,72 28,44 2,87 12,39 24,78 31,43 45,55 61,90 61,25 Aquecimento Solar Passivo 12,64 32,11 33,33 30,97 29,92 30,48 14,86 Aquecimento Solar 28,06 30,03 29,28 42,10 36,69 38,09 35,40 34,19 38,09 39,60 38,10 38,75 Passivo/Massa Térmica Aquecimento Artificial 2,75 25,72 21,25 11,12 Fonte: UFSC, Na carta bioclimática de Curitiba, percebe-se a necessidade de aquecimento solar passivo em combinação com o uso de massa térmica nos fechamentos durante o ano todo. O aquecimento artificial é necessário nos períodos mais frios do ano. TABELA 2.3 Normais Climatológicas de Belo Horizonte VAR JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 1 28,2 28,8 28,6 27, ,6 26,5 27,2 27,7 27,5 27,3 2 18, ,8 17, ,4 13,1 14,4 16,2 17,5 18,2 18,4 3 22,8 23, ,1 19,8 18,5 18, ,9 22,2 22, ,1 74,7 73,9 72,5 71,4 68,7 64,5 65,1 69,8 74, , ,2 917,2 918,7 920,2 921,1 919,9 918,5 916,6 915,3 915 Variáveis: 1. Temperaturas médias máximas (ºC) 2. Temperaturas médias mínimas ( C) 3. Temperaturas médias ( C) 4. Umidades relativas médias (%) 5. Pressões barométricas (hpa) Fonte: UFSC,

32 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA ZONAS: 1. Conforto 2. Ventilacao Resfriamento Evaporativo Ar Condicionado 6. Umidificação Massa Térmica/ Aquecimento Solar Aquecimento Solar Passivo Aquecimento Artificial Vent./ Massa/ Resf. Evap. 12.Massa/ Resf. Evap TBU[ C] UFSC - ECV - LabEEE - NPC TBS[ C] W[g/kg] FIGURA 2.4 Dados Climáticos de Belo Horizonte plotados sobre a carta bioclimática adaptada de Givoni (1992) por meio do software Analysis Bio 2 Avaliação bioclimática pelas normais climatológicas. TABELA Percentual de horas para cada estratégia em Belo Horizonte MESES (%) JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Conforto 54,65 63,51 67,94 90,89 72,73 60,34 57,39 70,25 83,64 95,09 83,35 69,29 Ventilação 22,57 12,87 9,24 12,73 Aquecimento Solar Passivo 5,17 7,83 Aquecimento Solar 12,77 10,21 12,25 9,11 27,28 34,49 34,78 29,76 16,36 4,91 16,66 17,98 Passivo/Massa Térmica Ventilacao/Massa/Resfriamento 10,02 13,42 10,58 Evaporativo Fonte: UFSC, Nesta carta, grande parte das normais está concentrada na região de conforto. Nas horas desconfortáveis, a estratégia mais indicada é o aquecimento solar passivo com uso de massa térmica nos fechamentos. Durante o verão, além dessas estratégias, é recomendado o uso de ventilação cruzada. 16

33 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA TABELA 2.5 Normais Climatológicas de Brasília VAR JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 1 26,9 26,7 27,1 26,6 25,7 25,2 25,1 27,3 28,3 27,5 26,6 26,2 2 17,4 17,4 17,5 16, ,3 12,9 14, ,4 17,5 17,5 3 21,6 21, ,4 20,2 19,1 19,1 21,2 22,5 22,1 21,7 21, ,9 885,4 885,6 886,4 887, ,2 888,2 887,2 885,8 884,8 884,8 Variáveis: 1. Temperaturas médias máximas (ºC) 2. Temperaturas médias mínimas ( C) 3. Temperaturas médias ( C) 4. Umidades relativas médias (%) 5. Pressões barométricas (hpa) Fonte: UFSC, ZONAS: 1. Conforto 2. Ventilacao Resfriamento Evaporativo 5. Ar Condicionado 6. Umidificação Massa Térmica/ Aquecimento Solar Aquecimento Solar Passivo Aquecimento Artificial Vent./ Massa/ Resf. Evap. 12.Massa/ Resf. Evap TBU[ C] UFSC - ECV - LabEEE - NPC TBS[ C] W[g/kg] FIGURA 2.5 Dados Climáticos de Brasília plotados sobre a carta bioclimática adaptada de Givoni (1992) por meio do software Analysis Bio 2 Avaliação bioclimática pelas normais climatológicas. TABELA Percentual de horas para cada estratégia em Brasília Fonte: UFSC, MESES (%) JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Conforto 72,97 64,72 68,92 71,57 71,96 60,50 58,20 73,23 83,73 94,06 75,02 60,23 Ventilação 7,33 5,67 10,94 Aquecimento Solar Passivo 5,88 9,02 Aquecimento Solar Passivo/Massa Térmica 27,04 27,96 26,05 28,43 28,04 33,62 32,78 26,78 16,27 5,95 24,99 28,74 A grande parte das normais concentra-se na zona de conforto térmico. No verão, a ventilação é a estratégia mais indicada. No inverno deve-se priorizar o uso de massa térmica para aquecimento associado ao ganho de calor solar. 17

34 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA TABELA 2.7 Normais Climatológicas de Goiânia VAR JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 1 29,2 29,4 30, ,1 28,7 28,9 31,2 31, ,7 28,9 2 19,7 19,7 19,5 18, ,7 13, ,1 19,5 19,6 19,7 3 23,8 23,8 23,9 23,6 22,1 20,8 20,8 22,9 24,6 24, , ,1 928,4 928,7 929,5 931,1 932,5 932,7 931, ,8 927,8 927,7 Variáveis: 6. Temperaturas médias máximas (ºC) 7. Temperaturas médias mínimas ( C) 8. Temperaturas médias ( C) 9. Umidades relativas médias (%) 10. Pressões barométricas (hpa) Fonte: UFSC, ZONAS: 1. Conforto 2. Ventilacao Resfriamento Evaporativo Ar Condicionado 6. Umidificação Massa Térmica/ Aquecimento Solar Aquecimento Solar Passivo 9. Aquecimento Artificial Vent./ Massa/ Resf. Evap Massa/ Resf. Evap TBU[ C] UFSC - ECV - LabEEE - NPC TBS[ C] W[g/kg] FIGURA 2.6 Dados Climáticos de Goiânia plotados sobre a carta bioclimática adaptada de Givoni (1992) por meio do software Analysis Bio 2 Avaliação bioclimática pelas normais climatológicas. TABELA Percentual de horas para cada estratégia em Goiânia Fonte: UFSC, MESES (%) JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Conforto 58,74 53,54 55,79 64,03 81,64 71,33 69,43 67,90 78,99 74,93 60,66 61,64 Ventilação 19,25 22,21 15,27 4,25 14,04 18,87 Aquecimento Solar Passivo 2,00 5,10 Aquecimento Solar Passivo/Massa Térmica Ventilacao/Massa/Resfriamento Evaporativo 3,17 3,10 4,72 13,05 15,27 26,67 25,48 18,52 3,97 3,27 18,85 21,15 24,22 18,68 3,09 13,58 21,02 25,07 21,33 16,23 Percebe-se, na carta bioclimática de Goiânia, a concentração das normais na zona de conforto. No verão, a estratégia recomendada é a ventilação com resfriamento 18

35 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA evaporativo; enquanto que no inverno, o aquecimento solar passivo com massa térmica é a mais indicada. TABELA 2.9 Normais Climatológicas de Teresina VAR JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 1 32,2 30,1 30,1 31,6 31,8 32,4 33,3 33,5 35,8 36,4 35,4 34,2 2 22,5 22,4 22,4 22,7 22,4 21,2 20,4 20, , ,1 3 26,7 23,6 25,9 26,3 26, ,7 28, , ,1 1001,2 1001,5 1001,5 1002,2 1003,3 1003,7 1003,3 1002,4 1001,4 1000,7 1005,8 Variáveis: 11. Temperaturas médias máximas (ºC) 12. Temperaturas médias mínimas ( C) 13. Temperaturas médias ( C) 14. Umidades relativas médias (%) 15. Pressões barométricas (hpa) Fonte: UFSC, ZONAS: Conforto 2. Ventilacao Resfriamento Evaporativo 4. Massa Térmica p/ Resfr Ar Condicionado Umidificação 2 7. Massa Térmica/ Aquecimento Solar Aquecimento Solar Passivo Aquecimento Artificial Ventilação/ Massa 11.Vent./ Massa/ Resf. Evap Massa/ Resf. Evap UFSC - ECV - LabEEE - NPC TBS[ C] TBU[ C] W[g/kg] FIGURA 2.7 Dados Climáticos de Teresina plotados sobre a carta bioclimática adaptada de Givoni (1992) por meio do software Analysis Bio 2 Avaliação bioclimática pelas normais climatológicas. TABELA Percentual de horas para cada estratégia em Teresina MESES (%) JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Conforto 23,94 62,82 63,60 57,55 64,50 47,04 39,28 40,45 42,54 Ventilação 28,36 3,53 100,01 86,36 88,17 3,33 Ventilação/Massa 4,63 2,53 Massa/Resfr. Evaporativo 3,60 9,23 11,54 13,35 6,78 3,34 Resfr. Evaporativo 2,77 Massa térmica p/ resfriamento 0,98 5,17 9,62 14,24 Ventilacao/Massa/Resfriamento 10,98 29,02 32,81 28,91 23,96 25,43 27,68 30,30 31,29 Evaporativo Ar Condicionado 12,76 13,64 11,83 11,41 21,10 16,30 9,41 Fonte: UFSC,

36 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA A carta bioclimática de Teresina possui as normais entre a zona de ventilação e a de massa térmica com resfriamento evaporativo. As estratégias mais adequadas ao verão são: massa térmica para resfriamento, ventilação, resfriamento evaporativo e o uso de condicionamento térmico artificial. TABELA 2.11 Normais Climatológicas de Belém VAR JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 1 30,9 30,5 30,4 30,8 31,3 31,7 31,7 32,1 32,1 32,2 32,3 31,9 2 22,1 22,2 22,4 21,8 22,6 22,1 21,7 21,7 21,7 21,6 21, ,6 24,5 25,5 26,7 25,9 25,9 25, ,1 26,4 26,4 26, ,5 1009,7 1009,8 1009,8 1010,3 1011,2 1011,6 1011,1 1010,7 1009,9 1009,2 1009,3 Variáveis: 16. Temperaturas médias máximas (ºC) 17. Temperaturas médias mínimas ( C) 18. Temperaturas médias ( C) 19. Umidades relativas médias (%) 20. Pressões barométricas (hpa) Fonte: UFSC, ZONAS: Conforto 2. Ventilacao Resfriamento Evaporativo 4. Massa Térmica p/ Resfr Ar Condicionado Umidificação 7. Massa Térmica/ Aquecimento Solar Aquecimento Solar Passivo 9. Aquecimento Artificial Ventilação/ Massa Vent./ Massa/ Resf. Evap Massa/ Resf. Evap UFSC - ECV - LabEEE - NPC TBS[ C] TBU[ C] W[g/kg] FIGURA 2.8 Dados Climáticos de Belém plotados sobre a carta bioclimática adaptada de Givoni (1992) por meio do software Analysis Bio 2 Avaliação bioclimática pelas normais climatológicas. TABELA Percentual de horas para cada estratégia em Belém MESES (%) JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Ventilação 84,48 99,69 95,57 53,24 88,07 86,82 88,36 85,29 84,74 83,39 82,87 84,13 Ar Condicionado 15,53 0,31 4,44 46,76 11,94 13,19 11,64 14,71 15,26 16,61 17,13 15,88 Fonte: UFSC,

37 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA A carta bioclimática de Belém caracteriza-se pela concentração de normais na zona de ventilação. A umidade relativa é alta (acima de 80%) e as temperaturas nunca são inferiores a 20 C. Nas edificações construídas nesse clima, deve-se permitir a ventilação cruzada em tempo integral. O conforto térmico é quase ausente, sendo necessária a integração entre sistemas natural e artificial de condicionamento térmico durante todo o ano. A avaliação bioclimática feita pelas nomais climatológicas, por empregarem valores médios, tendem a superestimar o conforto e a subestimar as estratégias bioclimáticas. A estratégia que mais se destaca é a ventilação seguida pela massa térmica com aquecimento solar passivo para os períodos frios. Em alguns casos, como as cidades de Curitiba, Teresina e Belém, o condicionamento térmico passivo não é o suficiente para manter o conforto térmico, mas é capaz de minimizar os gastos energéticos com o condicionamento. 2.5 A Norma de Desempenho Térmico de Edificações A norma NBR 15220:2005 de desempenho térmico de edificações é constituída por cinco partes: I) Definições, símbolos e unidades; II) Métodos de cálculo da transmitância térmica, da capacidade térmica, do atraso térmico e do fator solar de elementos e componentes de edificações; III) Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social; IV) Medição da resistência térmica e da condutividade térmica pelo princípio da placa quente protegida; e V) Medição da resistência térmica e da condutividade térmica pelo método fluximétrico. Na parte 3 dessa norma, que trata do zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social, é adotada uma carta bioclimática adaptada a partir da sugerida por Givoni de 1992 (FIG. 2.9). 21

38 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA Segundo Roriz (2000), as alterações efetuadas sobre a carta de Givoni consideraram as experiências acadêmicas e profissionais dos especialistas das comissões de estudos, bem como alguns aspectos da cultura construtiva típica de cada região. A Zona de aquecimento artificial (calefação) B Zona de aquecimento solar da edificação C Zona de massa térmica para aquecimento D Zona de conforto térmico (baixa umidade) E Zona de conforto térmico F Zona de desumidificação (renovação do ar) G+H Zona de resfriamento evaporativo H+I Zona de massa térmica de refrigeração I+J Zona de ventilação K Zona de refrigeração artificial L Zona de umidificação do ar FIGURA 2.9 Carta bioclimática adaptada. Fonte: NBR 15220:2005 (Parte 3), p. 18. Nessa norma, os dados mensais de temperatura e umidade do ar foram representados por uma reta sobre a carta para cada mês do ano e para cada localidade. Dessa forma, por meio da plotagem dos dados das normais climatológicas de cada cidade, podem-se obter as percentagens de cada estratégia acumuladas ao longo de um ano, permitindo classificar o clima de uma cidade em uma das oito zonas bioclimáticas definidas. Para as cidades que não tinham dados climáticos medidos, o clima foi estimado por meio de interpolação (WESTPHAL, 2005). Posteriormente, foi estabelecido um zoneamento bioclimático que dividiu o território brasileiro em oito zonas relativamente homogêneas quanto ao clima (FIG. 2.10). Para cada região delimitada no zoneamento formulou-se um conjunto de recomendações 22

39 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA técnico-construtivas que conjugam as estratégias de condicionamento térmico passivo com os limites aceitáveis de indicadores do desempenho térmico. FIGURA 2.10 Zoneamento bioclimático Brasileiro. Fonte: NBR 15220: 2005 (Parte 3), p. 2. Foi considerado o tamanho das aberturas para ventilação; a proteção das aberturas; os fechamentos externos e as estratégias de condicionamento térmico passivo. Estas diretrizes construtivas visam à otimização do desempenho térmico das habitações unifamiliares de interesse social (com até três pavimentos) por meio de sua adequação ao clima. 23

40 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA Diretrizes construtivas para as cidades objeto de estudo De acordo com o anexo A da norma NBR 15220:2005, as cidades objeto de estudo seguem a seguinte classificação: Curitiba Zona bioclimática 1 Belo Horizonte Zona bioclimática 3 Brasília Zona bioclimática 4 Goiânia Zona bioclimática 6 Teresina Zona bioclimática 7 Belém Zona bioclimática 8 Segundo essa norma, para essas zonas devem ser atendidas as diretrizes apresentadas a seguir: a) Diretrizes construtivas para a ZONA BIOCLIMÁTICA 1 (Curitiba) Para a Zona Bioclimática 1 são sugeridas as diretrizes apresentadas nas TAB a TABELA Aberturas para ventilação e sombreamento das aberturas para a zona bioclimática 1 Médias = 15% < A < 25% Aberturas para ventilação A (em % da área de piso em ambientes de longa permanência) Sombreamento das aberturas Permitir sol durante o período frio Fonte: NBR 15220:2005 TABELA Tipos de vedações externas para a zona bioclimática 1 Vedações externas Transmitância térmica (W/m².K) Atraso térmico (h) Fator solar (%) Parede Leve U 3,00 φ 4,3 FSo 5,0 Cobertura (telhado, ático Leve isolada U 2,00 φ 3,3 FSo 6,5 e forro) Fonte: NBR 15220:

41 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA TABELA Estratégias de condicionamento térmico passivo para a zona bioclimática 1 Estação Estratégias de condicionamento térmico passivo Inverno Aquecimento solar da edificação Vedações internas pesadas (inércia térmica) NOTA: O condicionamento passivo será insuficiente durante o período mais frio do ano. Fonte: NBR 15220:2005 b) Diretrizes construtivas para a ZONA BIOCLIMÁTICA 3 (Belo Horizonte) Para a Zona Bioclimática 3 são sugeridas as diretrizes apresentadas nas TAB a TABELA Aberturas para ventilação e sombreamento das aberturas para a zona bioclimática 3 Médias = 15% < A < 25% Aberturas para ventilação A (em % da área de piso em ambientes de longa permanência) Sombreamento das aberturas Permitir sol durante o inverno Fonte: NBR 15220:2005 TABELA Tipos de vedações externas para a zona bioclimática 3 Vedações externas Transmitância térmica (W/m².K) Atraso térmico (h) Fator solar (%) Parede Leve refletora U 3,60 φ 4,3 FSo 4,0 Cobertura (telhado, ático Leve isolada U 2,00 φ 3,3 FSo 6,5 e forro) Fonte: NBR 15220:2005 TABELA Estratégias de condicionamento térmico passivo para a zona bioclimática 3 Estação Estratégias de condicionamento térmico passivo verão Ventilação cruzada Inverno Aquecimento solar da edificação Vedações internas pesadas (inércia térmica) Fonte: NBR 15220:

42 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA c) Diretrizes construtivas para a ZONA BIOCLIMÁTICA 4 (Brasília) Para a Zona Bioclimática 4 são sugeridas as diretrizes apresentadas nas TAB a TABELA Aberturas para ventilação e sombreamento das aberturas para a zona bioclimática 4 Médias = 15% < A < 25% Aberturas para ventilação A (em % da área de piso em ambientes de longa permanência) Sombreamento das aberturas Sombrear as aberturas Fonte: NBR 15220:2005 TABELA Tipos de vedações externas para a zona bioclimática 4 Vedações externas Transmitância térmica (W/m².K) Atraso térmico (h) Fator solar (%) Parede Pesada U 2,20 φ > 6,5 FSo 3,5 Cobertura (telhado, ático Leve isolada U 2,00 φ 3,3 FSo 6,5 e forro) Fonte: NBR 15220:2005 TABELA Estratégias de condicionamento térmico passivo para a zona bioclimática 4 Estação Estratégias de condicionamento térmico passivo verão Resfr. Evaporativo e massa térmica para resfriamento Ventilação seletiva (nos períodos quentes em que a temperatura interna seja superior à externa) Inverno Aquecimento solar da edificação Vedações internas pesadas (inércia térmica) Fonte: NBR 15220:2005 d) Diretrizes construtivas para a ZONA BIOCLIMÁTICA 6 (Goiânia) Para a Zona Bioclimática 6 são sugeridas as diretrizes apresentadas nas TAB a

43 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA TABELA Aberturas para ventilação e sombreamento das aberturas para a zona bioclimática 6 Médias = 15% < A < 25% Aberturas para ventilação A (em % da área de piso em ambientes de longa permanência) Sombreamento das aberturas Sombrear as aberturas Fonte: NBR 15220:2005 TABELA Tipos de vedações externas para a zona bioclimática 6 Vedações externas Transmitância térmica (W/m².K) Atraso térmico (h) Fator solar (%) Parede Pesada U 2,20 φ > 6,5 FSo 3,5 Cobertura (telhado, ático Leve isolada U 2,00 φ 3,3 FSo 6,5 e forro) Fonte: NBR 15220:2005 TABELA Estratégias de condicionamento térmico passivo para a zona bioclimática 6 Estação Estratégias de condicionamento térmico passivo verão Resfr. Evaporativo e massa térmica para resfriamento Ventilação seletiva (nos períodos quentes em que a temperatura interna seja superior à externa) Inverno Vedações internas pesadas (inércia térmica) Fonte: NBR 15220:2005 e) Diretrizes construtivas para a ZONA BIOCLIMÁTICA 7 (Teresina) Para a Zona Bioclimática 7 são sugeridas as diretrizes apresentadas nas TAB a TABELA Aberturas para ventilação e sombreamento das aberturas para a zona bioclimática 7 Pequenas = 10% < A < 15% Aberturas para ventilação A (em % da área de piso em ambientes de longa permanência) Sombreamento das aberturas Sombrear as aberturas Fonte: NBR 15220:

44 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA TABELA Tipos de vedações externas para a zona bioclimática 7 Vedações externas Transmitância térmica (W/m².K) Atraso térmico (h) Fator solar (%) Parede Pesada U 2,20 φ > 6,5 FSo 3,5 Cobertura (telhado, ático Pesada U 2,00 φ > 6,5 FSo 6,5 e forro) Fonte: NBR 15220:2005 TABELA Estratégias de condicionamento térmico passivo para a zona bioclimática 7 Estação Estratégias de condicionamento térmico passivo verão Resfr. Evaporativo e massa térmica para resfriamento Ventilação seletiva (nos períodos quentes em que a temperatura interna seja superior à externa) Fonte: NBR 15220:2005 f) Diretrizes construtivas para a ZONA BIOCLIMÁTICA 8 (Belém) Para a Zona Bioclimática 8 são sugeridas as diretrizes apresentadas nas TAB a TABELA Aberturas para ventilação e sombreamento das aberturas para a zona bioclimática 8 Grandes = A < 40% Aberturas para ventilação A (em % da área de piso em ambientes de longa permanência) Sombreamento das aberturas Sombrear as aberturas Fonte: NBR 15220:2005 TABELA Tipos de vedações externas para a zona bioclimática 8 Vedações externas Transmitância térmica (W/m².K) Atraso térmico (h) Fator solar (%) Parede Leve refletora U 3,60 φ < 4,3 FSo 4,0 Cobertura (telhado, ático Leve refletora U 2,30 φ 3,3 FSo 6,5 e forro) Fonte: NBR 15220:

45 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA TABELA Estratégias de condicionamento térmico passivo para a zona bioclimática 8 Estação Estratégias de condicionamento térmico passivo verão Ventilação cruzada permanente NOTA: O condicionamento passivo será insuficiente durante as horas mais quentes Fonte: NBR 15220: Considerações sobre a Norma de Desempenho Térmico A caracterização do comportamento térmico de uma edificação no Brasil não deve ser feita apenas considerando parâmetros previamente definidos como a resistência térmica dos elementos de fechamento. É preciso considerar também todas as trocas térmicas dinâmicas que ocorre nos ambientes (IPT, 1998; AKUTSU, 1998). As diretrizes de projeto sugeridas na norma NBR 15220:2005 foram introduzidas para substituir o processo de avaliação detalhado desenvolvido pelo IPT (1998); baseado em simulações computacionais e medições em protótipos. Porém, como lembra Vittorino (2005), a norma NBR 15220:2005 (...) não foi concebida para ser usada como uma ferramenta de avaliação de desempenho, como pode ser visto no objetivo e no caráter dos próprios anexos, onde as diretrizes construtivas são informativas e foram concebidas para assim o serem e não normativas. Dessa forma, no processo de avaliação de desempenho térmico dos objetos de estudo, as recomendações de projeto (de caráter informativo) existentes na norma NBR 15220:2005 serão adotadas apenas como condicionantes climáticos em uma etapa anterior a simulação computacional, desconsiderando a adoção dessas diretrizes construtivas como método de avaliação. 29

46 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA 2.6 Discussão das recomendações de projeto A seguir serão discutidas as diretrizes propostas pela Norma de Desempenho Térmico e outras estratégias que contribuem com o condicionamento térmico natural das edificações Ventilação no verão De acordo com Izard e Guyot (1980), existem pelo menos três razões para promover a ventilação dos ambientes: manter as condições de salubridade, contribuir para o conforto térmico e refrigerar as estruturas internas do edifício por meio do intercâmbio térmico entre o ar e as paredes. A ventilação é uma estratégia de resfriamento natural por meio da renovação do ar no ambiente construído. No verão, a finalidade principal da ventilação é aumentar a dissipação do calor humano por convecção e evaporação para se atingir a sensação de conforto. A ventilação pode melhorar a sensação térmica se a temperatura do interior ultrapassar os 29 C ou a umidade relativa for superior a 80 % (LAMBERTS et al., 1997). A ventilação necessária para conforto no verão depende de outras variáveis do ambiente (temperatura radiante média, temperatura do ar interno, etc.), uma vez que o conforto térmico está relacionado à dissipação do calor que o corpo humano está produzindo e o que eventualmente está recebendo do meio ambiente por convecção e/ou radiação (FRANSOZO, 2003). Estratégias de projeto devem ser utilizadas quando a ventilação natural implicar em um ambiente interno confortável. No planejamento da ventilação de uma edificação, podem-se destacar os seguintes recursos de projeto: adequar a forma e a orientação da edificação à brisa dominante para produzir correntes de ar cruzadas; projetar espaços fluidos; facilitar a ventilação vertical; utilizar elementos para direcionar o fluxo de ar 30

47 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA para o interior e verificar a influência do posicionamento das aberturas nas fachadas (SOUZA, 2006). Dentre as soluções arquitetônicas comumente utilizadas, a ventilação cruzada é proporcionada por aberturas em paredes opostas (ou diferentes) com diferenciais de pressão provocados pela ação do vento (FIG. 2.11). FIGURA 2.11 Elevação: ventilação da cobertura, ventilação cruzada e ventilação do piso sob a edificação. A utilização da ventilação cruzada diurna é recomendável somente quando o conforto interno pode ser garantido pela temperatura externa, porque a temperatura interna de um edifício ventilado naturalmente tende a aproximar-se da externa. As saídas de ar quente devem ser feitas na parte mais alta do ambiente para evitar a formação de uma camada de ar estagnada. Já as entradas de ar devem ser consideradas na parte inferior dos ambientes (MONTENEGRO, 1984). Na FIG representa-se um esquema de circulação de ar de grande flexibilidade, pois o sentido da ventilação não altera a eficiência da renovação do ar interno. 31

48 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA FIGURA 2.12 Esquema de circulação de ar Proteções solares A principal causa de desconforto térmico num clima tropical é o ganho de calor produzido pela absorção da energia solar que atinge o envelope das edificações. Dessa forma, é essencial contemplar no projeto arquitetônico a proteção da radiação solar. Segundo Corbella (2003), as principais estratégias para combater o ganho de calor devido à radiação solar são: posicionar o edifício de maneira a obter a mínima carga térmica devida à energia solar; proteger as aberturas contra a entrada do sol; dificultar a chegada do sol às superfícies do envelope do edifício, minimizar a absorção do sol pelas superfícies externas e determinar a orientação e o tamanho das aberturas. Por meio da utilização de brise-soleils, paredes de cobogós e vegetação podem-se proteger as superfícies do edifício da radiação solar direta. O controle das áreas envidraçadas é indispensável e tem que ser diferente para cada orientação. Para as condições climáticas de um país tropical do hemisfério sul, a fachada norte deve ser protegida por para-sóis horizontais, pois nessa fachada haverá trajetórias solares predominantemente horizontais e elevadas. Caso a fachada não seja perfeitamente norte, deve-se utilizar uma combinação de elementos horizontais e verticais (grelha). Em um estudo de simulação de energia solar recebida, realizado para quatro edificações com a mesma área construída e altura, para um dia típico de verão em Porto Alegre, foram apresentados valores diferentes em relação à incidência da radiação solar nas 32

49 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA fachadas (FIG 2.13). Diminuindo a área das fachadas mais castigadas pelo sol (leste e oeste), reduz-se a energia solar incidente em 20% (CORBELLA, 2003). Se o teto for protegido (teto ventilado e refletor), brises horizontais forem colocadas na parede norte e verticais na parede sul e vegetação no leste e oeste pode-se reduzir ainda mais a carga térmica solar recebida (FIG 2.14). FIGURA 2.13 Edifícos com a mesma área coberta e plantas diferentes. Fonte: Corbella (2003), p FIGURA 2.14 Edifício com menor carga térmica solar. Fonte: Corbella (2003), p

50 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA Aquecimento solar e massa térmica no inverno As temperaturas de bulbo seco 14 ºC e 20 ºC delimitam no diagrama bioclimático a zona de aquecimento solar e massa térmica. Nessa região pode-se utilizar a massa térmica junto ao aquecimento solar passivo ou o aquecimento solar passivo com isolamento térmico (LAMBERTS et al., 1997). A massa térmica com ganho solar pode compensar as baixas temperaturas pelo armazenamento de energia (FIG 2.15). O calor armazenado nas paredes da edificação evita a oscilação e os picos durante o dia e é devolvido ao interior dos ambientes nos horários mais frios, geralmente à noite. Este fenômeno denominado inércia térmica está associado à capacidade de um componente da envolvente de amortecer e atrasar a onda de calor. FIGURA 2.15 Elevação: Uso da energia solar e inércia térmica nas paredes internas e no piso. Comparando a taxa de calor que atravessa uma parede fictícia de peso nulo (q 1 ) e outra real (q 2 ), tem-se o esquema apresentado na FIG. 2.16, que exemplifica o fenômeno da inércia térmica por meio do amortecimento da taxa de calor q 2. A inércia térmica é função da massa específica do fechamento, da sua condutividade térmica e do seu calor específico. 34

51 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA FIGURA 2.16 Comparação da inércia térmica de uma parede real (q 2 ) e de uma parede fictícia de peso nulo (q 1 ). Fonte: FROTA e SCHIFFER, 2003, p. 49. Mesmo em um clima tropical, a inércia térmica exerce uma influência reguladora nas flutuações da temperatura, contribuindo com o conforto ambiental. Embora, nos climas quentes e úmidos as construções não devam ter uma inércia térmica muito grande, para não evitar a retirada do calor armazenado pela ventilação noturna. Um exemplo de fechamento com alto poder de armazenamento de calor são as paredes tromble. As paredes tromble (ou muro coletor) localizam a massa de acumulação térmica entre o espaço a ser aquecido e as vidraças com orientação norte. Considerando o balanço térmico das paredes tromble, a energia absorvida pelo muro aquece sua superfície externa e depois sua massa. Posteriormente, o calor migra através da parede por condução, chegando à face interna depois de certo tempo, atuando como defasador e amortecedor das ondas de calor exteriores (FIG 2.17). As paredes de acumulação em alvenaria retardam por várias horas a transmissão de calor (BROWN, 2004). 35

52 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA FIGURA 2.17 Corte esquemático de uma parede de acúmulo térmico. Fonte: Adaptado de IZARD e GUYOT, 1980, p No aquecimento solar com isolamento térmico evita-se a perda de calor da edificação para o exterior enquanto se aproveitam os ganhos de calor internos aumentando a temperatura interior (FIG 2.18). FIGURA 2.18 Corte esquemático de uma parede com isolamento térmico externo. Fonte: BROWN, 2004, p

53 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA O uso de vegetação Nos climas quentes, o entorno do edifício tratado com vegetação é capaz de transformar o microclima, tornando-o confortável termicamente. Segundo Rivero (1986), apesar da grande quantidade de energia absorvida, a temperatura superficial das folhas das árvores e gramados não é elevada, mantendo-se sempre abaixo da temperatura dos corpos inertes vizinhos. Além disso, a energia refletida pelas folhas é pequena, estando compreendida entre 15% e 30%. Para comprovar essas afirmações, Rivero (1986) apresentou um corte esquemático de uma rua onde são fornecidas as temperaturas superficiais de algumas de suas partes (FIG 2.19). Mesmo a grama ao sol tem uma temperatura menor que a calçada à sombra. Em regiões quentes, é conveniente ter no entorno gramados nos solos. A massa de ar próxima do edifício terá temperatura menor e conseqüentemente o ar que ingressa no ambiente interior terá melhores condições térmicas. FIGURA 2.19 Corte esquemático de uma rua. Fonte: RIVERO, 1986, p O uso da vegetação influi também no umedecimento do ar. No meio urbano, o consumo do calor latente pela evaporação do vapor d água liberado pela folhagem da vegetação permite obter uma redução da temperatura ambiente. Porém, o uso de vegetação como forma direta de resfriamento evaporativo no verão, pode não ser eficiente, devido aos níveis elevados de umidade do ar nesta época. 37

54 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA 2.7 Edifícios eficientes Introdução Segundo o LabEEE (Laboratório de Eficiência Energética em Edificações) (apud CAPELLO, 2006), a expressão eficiência energética consiste em reduzir o consumo de energia em construções novas e existentes, por meio da implantação de tecnologias de iluminação, condicionamento de ar e isolamento térmico, sem acarretar queda nos níveis de conforto (...). Na década de 70, surgiu o conceito de green building na Europa e nos Estados Unidos. Esse termo faz referência aos investimentos em tecnologias estimulados por programas de incentivo governamental para aumentar o desempenho ambiental das construções, visando otimizar o consumo de água e energia como resposta a crise do petróleo. No Brasil, a preocupação com o aumento da eficiência energética de edificações e uso racional da água é mais recente, mas já afeta o setor da construção civil. Com o aumento do poder aquisitivo da população, o setor residencial passou a demandar mais energia, impulsionada por novas ligações à rede elétrica e compra de bens de consumo elétricos. Além disso, o atendimento ao déficit habitacional brasileiro, avaliado em novas moradias para o ano deverá ser acompanhado do crescimento expressivo da demanda de energia. A adoção dos conceitos de melhoria do desempenho energético no projeto de edifícios é capaz de se reverter em benefícios econômicos. Segundo os dados do Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica PROCEL (2006), a energia consumida nas edificações pode ser economizada em 30 % podendo chegar a 50 %, se as medidas de racionalização do uso da energia forem adotadas em fase de projeto. 6 Dados do centro de estatística e informações da Fundação João Pinheiro. Disponível em: < Acesso em: 29 maio

55 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA A seguir é apresentado um estudo de caso de um dos edifícios no Brasil que incorporam os conceitos de melhoria do desempenho energético, obtendo resultados satisfatórios A Casa Eficiente A Casa Eficiente é resultado da parceria entre a Eletrosul, Eletrobrás/PROCEL e do LabEEE da Universidade Federal de Santa Catarina (CASA EFICIENTE, 2006). Tratase de uma casa modelo construída em Florianópolis que tem como objetivo divulgar tecnologias de ponta de eficiência energética e conforto ambiental voltadas para edificações. A Casa Eficiente também funciona como laboratório de testes da eficácia de medidas que visam a eficiência energética (FIG. 2.20). FIGURA 2.20 Fachada da Casa Eficiente. Fonte: CAPELLO, 2006, p. 40. Desde as etapas iniciais de conceituação e concepção do projeto arquitetônico da Casa Eficiente, as soluções de eficiência energética adotadas visavam também a sustentabilidade da edificação. Para isso, considerou-se o impacto do projeto sobre as gerações futuras, considerando no ambiente construído a inter-relação do uso da energia e da água, materiais, emissão de poluentes e transporte. Na metodologia de concepção do projeto, foi feita uma caracterização climática da cidade de Florianópolis, fazendo um estudo das variáveis climáticas (Temperatura de 39

56 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA bulbo seco, velocidade e direção do vento, nebulosidade, umidade relativa do ar e irradiação solar) e uma análise da carta bioclimática de Florianópolis, definindo as estratégias bioclimáticas mais adequadas à cidade. Dentre os princípios bioclimáticos incorporados no projeto, pode-se destacar: i) Estudo da insolação A orientação da edificação privilegiou as fachadas norte-sul para localizar as aberturas, a fim de aproveitar a radiação solar nos períodos de inverno. As fachadas leste e oeste ficaram cegas (FIG. 2.21). FIGURA 2.21 Perspectivas da Casa Eficiente mostrando a insolação sobre as fachadas cegas leste e oeste. Fonte: CAPELLO, 2006, p. 40. ii) Vegetação A vegetação foi utilizada como proteção solar e para a criação de microclima local, diminuindo a velocidade do vento sul por meio de sua disposição em barreira. iii) Inércia e isolamento térmico O uso de inércia térmica e isolamento tiveram por objetivo a redução dos ganhos térmicos nos períodos de desconforto por calor e perdas térmicas nos períodos de desconforto por frio. Para diminuir as amplitudes térmicas internas, foram utilizadas paredes duplas com 25 mm, em tijolo cerâmico maciço com uma camada de lã de rocha. 40

57 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA iv) Ventilação noturna e diurna Para possibilitar uma ventilação cruzada eficiente, os ambientes foram descolados uns em relação aos outros para permitir pelo menos duas aberturas externas por ambiente (FIG. 2.22). FIGURA 2.22 Croquis da planta indicando o uso de árvores como barreira para o vento sul. Fonte: CAPELLO, 2006, p. 40. v) Sistema de aquecimento dos quartos Os quartos são aquecidos pela circulação forçada de água quente em tubulação de cobre presa ao rodapé, proporcionando transferência de calor para o ambiente por radiação e convecção. A água que circula no sistema de aquecimento provém dos efluentes tratados pelo sistema biológico de zona de raízes. vi) Sistemas complementares Na orientação norte da cobertura, foram previstos os sistemas fotovoltaicos e de aquecimento solar de água. vii) Uso racional de água O sistema hidráulico da casa inclui a coleta das águas pluviais das superfícies de cobertura por meio de calhas integradas ao projeto, com o uso de equipamento de filtragem e reservatório de armazenamento (cisterna), e reuso dos efluentes após tratamento biológico por zona de raízes. O tratamento de efluentes por Zona de Raízes 41

58 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA constitui-se na vazão por gravidade dos efluentes através de um leito filtrante. As camadas são preenchidas com material de resíduo abundante na região de Florianópolis, como cascas de ostras Certificação para edifícios eficientes No Brasil ainda não existem parâmetros de certificação de edifícios energeticamente eficientes. Existem certificados em versões americana - LEED (GBC, 2006) e inglesa - BREEM. Em Florianópolis, o edifício Primavera Green Office da construtora Bautec está cadastrado para receber a certificação americana LEED (Leadership in Energy and Environmental Design). No projeto do edifício, o uso racional da água é assegurado ao se prever o re-uso de água originada da captação de chuva ou pelo re-uso dos efluentes da estação de tratamento de esgoto, sendo neste caso destinado a irrigação dos jardins. Visando a economia de energia elétrica, foi dada prioridade à iluminação e ventilação naturais (FIG. 2.23). O sistema de ventilação mecânica e de ar-condicionado tem nível secundário sendo utilizado em horas em que os dispositivos arquitetônicos são insuficientes para promover conforto térmico. FIGURA 2.23 Corte esquemático da condomínio empresarial Primavera Office Green. Fonte: CAPELLO, 2006, p

59 BIOCLIMATOLOGIA APLICADA À ARQUITETURA 2.8 Considerações finais A implantação de medidas que visam a eficiência energética e o bom uso da água nas edificações começa no projeto. Priorizar o projeto é garantir economia sem grandes investimentos. Mas para isso, o corpo técnico responsável pela obra deve estar capacitado para lidar com essa nova filosofia. Na habitação popular, por exemplo, muitas adaptações climáticas e soluções que buscam a sustentabilidade no projeto, deixam de ser relevantes na execução da obra devido ao apelo econômico que ocorre nessa tipologia. Além disso, é preciso considerar a gestão das ações de eficiência energética e o uso racional da água. O processo de implantação dessas medidas não termina quando se entrega a obra. Com a gestão da incorporação das novas tecnologias podem-se reduzir as despesas da pós-ocupação, evitando uma situação de inadimplência na manutenção da construção que leve o morador de uma habitação popular a manter o imóvel. 43

60 CAPÍTULO III 3 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING 3.1 Introdução Historicamente, o Light Steel Framing (LSF) possui sua origem nas habitações em madeira construídas pelos colonizadores em território americano no início do século XIX. Na construção dessas habitações foram empregados conceitos da revolução industrial como praticidade, produtividade e velocidade, para atender ao crescimento rápido da população americana. Segundo a Consul Steel 1, (apud CRASTO, 2005), esse método, conhecido por Balloon Framing, era constituído por uma estrutura formada por peças em madeira serrada, de pequena seção transversal, espaçadas regularmente em 400 ou 600 mm. Posteriormente, a estrutura de madeira (woodframe) foi sendo substituída lenta e gradualmente pelos perfis de aço, impulsionado pelo grande desenvolvimento da indústria desse setor nos Estados Unidos. Na metade do século XX, as siderúrgicas americanas começaram a desenvolver a tecnologia dos aços galvanizados (JARDIM e CAMPOS, 2005). Em 1933, na Feira Mundial de Chicago, foi apresentado um protótipo de uma residência em Light Steel Framing que utilizava os perfis de aço substituindo a madeira. A partir do início do século XX, o aço galvanizado passou a ser utilizado como sistema estrutural nas edificações australianas como uma alternativa frente às dificuldades no tratamento da madeira contra o ataque de pragas e doenças (TENÓRIO, 2000). Após a Segunda Guerra, houve uma evolução dos processos de fabricação de perfis formados a frio devido ao crescimento da economia americana e ao excedente de aço. Devido a 1 CONSUL STEEL. Construcción con acero liviano Manual de Procedimento. Buenos Aires: Consul Steel, CD-ROM. 258 p.

61 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING maior resistência e eficiência estrutural do aço e a capacidade de resistir às catástrofes naturais, o uso do Light Steel Framing passou a ser vantajoso nos Estados Unidos. Em países onde a construção civil é predominantemente industrializada, o Light Steel Framing é bastante empregado. Atualmente, o mercado do aço no Japão é altamente desenvolvido, detendo o maior conhecimento na área de construções em perfis leves. De acordo com Jardim e Campos (2005), em 2004 registrou-se nos Estados Unidos casas que utilizam esse sistema. No Brasil, o LSF vem ganhando projeção no mercado nacional devido ao esforço da iniciativa privada. Em várias regiões do país, podem-se encontrar residências, escolas e hospitais construídos com esse sistema (FIG. 3.1 e 3.2). FIGURA 3.1 Protótipo USIframe. Fonte: USIMINAS, FIGURA 3.2 Residência em São Paulo. Fonte: CRASTO, p

62 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING De acordo com Crasto (2005), os principais benefícios e vantagens no uso do sistema LSF em edificações são os seguintes: Os produtos que constituem o sistema são padronizados de tecnologia avançada, em que os elementos construtivos são produzidos industrialmente, onde a matéria prima utilizada, os processos de fabricação, suas características técnicas e acabamento passam por rigorosos controles de qualidade; Facilidade de obtenção dos perfis formados a frio, uma vez que são largamente utilizados pela indústria; O aço é um material de comprovada resistência e o alto controle de qualidade, tanto na produção da matéria-prima quanto de seus produtos, permite maior precisão dimensional e melhor desempenho da estrutura; Facilidade de montagem, manuseio e transporte devido à leveza dos elementos; Durabilidade e longevidade da estrutura, proporcionada pelo processo de galvanização das chapas de fabricação dos perfis; Construção a seco, o que minora o uso de recursos naturais e o desperdício; Os perfis perfurados previamente e a utilização dos painéis de gesso acartonado facilitam as instalações elétricas e hidráulicas; Facilidade na execução das ligações; Rapidez de construção; O aço é um material incombustível e reciclável; Grande flexibilidade no projeto arquitetônico. Dentre as poucas desvantagens do sistema Light Steel Framing, uma das principais está relacionada à quantidade de pavimentos possíveis. No Brasil, podem-se construir edifícios com gabarito máximo de seis pavimentos. Outra desvantagem é aquela relacionada à ausência de revendas especializadas do sistema em algumas regiões do País. Neste capítulo, faz-se uma revisão sobre o sistema construtivo Ligth Steel Framing, e enfocam-se os sistemas de fechamento vertical mais utilizados. 46

63 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING 3.2 O sistema Light Steel Framing O sistema construtivo Light Steel Framing possui concepção racionalizada e caracteriza-se por perfis de aço galvanizado, formados a frio, constituindo um esqueleto estrutural capaz de resistir às cargas que solicitam a edificação e por vários componentes e subsistemas inter-relacionados que possibilitam uma construção industrializada, com grande rapidez de execução e a seco. Os perfis de aço galvanizado são utilizados para compor painéis estruturais ou não-estruturais, vigas de piso, vigas secundárias, tesouras de telhado e demais componentes (FREITAS, 2006). O LSF, também denominado por sistema auto-portante em aço de construção a seco, possui sua estrutura composta de paredes, pisos e cobertura; possibilitando a integridade estrutural da edificação (FIG. 3.3 e 3.4). FIGURA 3.3 Esquema de uma residência em Light Steel Framing. Fonte: CRASTO, 2005, p

64 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING FIGURA 3.4 Esquema estrutural do sistema Light Steel Framing Fonte: USIMINAS, Tipos de perfis utilizados Os perfis mais comuns para uso em Light Steel Framing possuem seções em formato de C ou U enrijecido (Ue) para montantes e vigas, U como guia da base e no topo de painéis e Cartola como ripas (FIG. 3.5). FIGURA 3.5 Perfis típicos para uso em Light Steel Framing - U simples, U enrijecido e Cartola. Fonte: CRASTO, 2005, p

65 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING As dimensões comercializadas no Brasil da alma (b w ) dos perfis Ue são 90, 140 e 200 mm. As mesas (b f ) podem variar de 35 a 40 mm, dependendo do fabricante e do tipo de perfil (TAB. 3.1). TABELA 3.1 Dimensões nominais usuais de perfis de aço Dimensões (mm) Designação Largura da alma b w (mm) Largura da mesa b f (mm) Largura do enrijecedor de borda D (mm) Ue 90x40 Montante Ue 140x40 Montante Ue 200x40 Montante Ue 250x40 Montante Ue 300x40 Montante U 90x40 Guia U 140x40 Guia U 200x40 Guia U 250x40 Guia U 300x40 Guia L 150x40 Cantoneira de abas desiguais L 200x40 Cantoneira de abas desiguais L 250x40 Cantoneira de abas desiguais C 20x30 Cartola Fonte: CEF, Painéis Os painéis estruturais ou autoportantes 2 têm a função de absorver e distribuir uniformemente as cargas, transmitindo-as à fundação. Esses painéis são constituídos por vários perfis galvanizados, de seções transversais Ue, denominados montantes, espaçados regularmente entre si de acordo com a modulação definida no cálculo estrutural, variando entre 400 e 600 mm. Essa modulação visa à otimização dos custos e mão-de-obra. Os materiais complementares industrializados são enquadrados na modulação, permitindo o controle de utilização e a minimização de desperdício dos fechamentos (JARDIM e CAMPOS, 2005). 2 Os painéis também podem ser não-estruturais, funcionando apenas como fechamento externo ou divisória interna. 49

66 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING Os montantes dos painéis transferem as cargas verticais por contato direto por meio de suas almas, dentro do conceito de estrutura alinhada ou in-line framing. Eles são unidos em seus extremos inferiores e superiores pelas guias (seção transversal tipo U simples), constituindo um quadro estrutural (CRASTO, 2005). Para resistir aos esforços horizontais que solicitam a estrutura, os montantes devem ser estabilizados por meio do contraventamento em X ou por meio de placas estruturais de fechamento funcionando como diafragma rígido (FIG. 3.6). Os painéis que possuem aberturas como portas e janelas necessitam de reforços estruturais como vergas para redistribuir o carregamento dos montantes interrompidos aos montantes que delimitam lateralmente o vão. FIGURA 3.6 Painel com contraventamento em X. Fonte: CRASTO, 2005, p. 49. Geralmente os painéis são executados em fábricas, garantindo boa produtividade, qualidade e melhores condições de trabalho. Mas, pode-se também executar os painéis no canteiro de obras (JARDIM e CAMPOS, 2005). 50

67 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING Lajes A estrutura de piso em Light Steel Framing possui a mesma modulação e princípios estruturais dos painéis. Os perfis galvanizados, denominados vigas de piso, possuem seções transversais Ue e são dispostos na horizontal, servindo de apoio a superfície do contrapiso (FIG. 3.7). Dentro do conceito de estrutura alinhada, as almas das vigas de piso são apoiadas em coincidência com as almas dos montantes, garantido o predomínio de esforços axiais nos elementos da estrutura (CRASTO, 2005). FIGURA 3.7 Vigas de piso e contrapiso em OSB. Fonte: CRASTO, 2005, p. 14. Conforme a natureza do contrapiso, a laje pode ser denominada seca ou úmida. A laje é do tipo seca quando é composta por placas rígidas de OSB (Oriented Strand Board) ou cimentícias aparafusadas a estrutura do piso, servindo como contrapiso (FIG. 3.8). A placa de OSB com 18 mm é a mais utilizada, podendo desempenhar a função de diafragma horizontal. Em áreas molhadas, o uso da placa cimentícia é mais recomendado por sua resistência à umidade. Pode-se empregar lã de vidro entre as vigas e manta de polietileno expandido entre o contrapiso e a estrutura para reduzir o nível de ruído entre um pavimento e outro. Dentre as vantagens no uso da laje seca, destaca-se a menor carga por peso próprio e a construção a seco, sem a necessidade da água na obra. 51

68 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING FIGURA 3.8 Desenho esquemático de uma laje seca. Fonte: CRASTO, 2005, p. 79. A laje úmida é composta por uma chapa metálica ondulada que serve de fôrma para uma camada de 4 a 6 cm de concreto simples, formando a superfície do contrapiso (FIG. 3.9). Entre a fôrma metálica e o concreto, deve-se empregar um material de isolamento acústico como painéis de lã de vidro compacta protegido por um filme de polietileno, uma vez que o concreto não está plenamente aderido à fôrma metálica, podendo produzir ruídos na utilização normal do piso. FIGURA 3.9 Desenho esquemático de uma laje úmida. Fonte: CRASTO, 2005, p

69 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING Os vãos recomendados para o vigamento de piso em aplicações residenciais são de até 4,0 m, para o uso de perfis Ue com altura da alma de 200 mm, mesa de 40 mm e espessura de 0,95 mm. Para vãos maiores, pode-se utilizar uma viga principal, que é feita a partir da combinação de dois ou mais perfis Coberturas O sistema Light Steel Framing possibilita grande variedade de soluções estruturais para os projetos de cobertura. Em coberturas inclinadas, a estrutura de um telhado em LSF assemelha-se a de um telhado convencional, podendo ser calculada para suportar telhas cerâmicas, metálicas, de cimento reforçado por fios sintéticos ou de concreto (FIG. 3.10). A estrutura em LSF também segue o principio da estrutura alinhada: a alma dos perfis que compõem tesouras ou caibros deve estar alinhada a alma dos montantes dos painéis de apoio e suas seções em coincidência de modo que a transmissão das cargas seja axial 3. FIGURA 3.10 Estrutura do telhado de uma residência em LSF. Fonte: CRASTO, 2005, p CRASTO, Renata Cristina Moraes de. Arquitetura e tecnologia em sistemas construtivos industrializados: light steel framing f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, p

70 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING Para os telhados inclinados em Light Steel Framing com telhas cerâmicas é necessário o uso do OSB (protegido com uma manta de impermeabilização) como substrato de apoio (FIG. 3.11). Sobre o OSB, são colocados os perfis tipo cartola paralelos aos caibros para possibilitar o escoamento da água, e sobre estes são fixadas as ripas para o encaixe das telhas. FIGURA 3.11 Estrutura do telhado com placas de OSB como substrato de apoio. Fonte: CRASTO, 2005, p. 97. De acordo com Jardim e Campos (2005), quando o projeto arquitetônico permitir, devem-se dividir as sobrecargas da cobertura em uma direção e as do piso abaixo em outra para não concentrar o carregamento em apenas uma das paredes. A solução ideal é conduzir as cargas da cobertura diretamente até a fundação utilizando os montantes Fundação A fundação no sistema LSF é contínua, uma vez que a estrutura distribui as cargas uniformemente ao longo dos painéis estruturais, e sua escolha depende da topografia, do tipo de solo, do nível do lençol freático e da profundidade de solo firme. Embora o processo de construção seja o convencional, a fundação deve ser bem projetada e executada para possibilitar maior precisão na montagem da estrutura e demais componentes do sistema (CRASTO, 2005). 54

71 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING Geralmente, a fundação utilizada no sistema LSF é a laje radier, que consiste em uma fundação rasa funcionando como uma laje, transmitindo as cargas da estrutura para o terreno. Basicamente, o radier é composto pela laje contínua de concreto e pelas vigas no perímetro da laje e sob as paredes estruturais ou colunas. O tipo de ancoragem de um painel estrutural à laje radier, suas dimensões e espaçamentos são definidos pelo cálculo estrutural. A mais comum é a ancoragem química com barra roscada, colocada após a concretagem da fundação (FIG. 3.12). Uma peça em aço é conectada à barra roscada e à guia e aparafusada ao montante (geralmente duplo) fixando a estrutura. FIGURA 3.12 Detalhe de ancoragem da estrutura à fundação. Fonte: CRASTO, 2005, p

72 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING 3.3 O fechamento vertical no sistema LSF Características gerais O fechamento vertical influencia significativamente na racionalização da produção de edifícios com estrutura metálica. A introdução de novas tecnologias nessa área, como novos materiais, componentes e sistemas construtivos propiciam aumento do desempenho da edificação como um todo, além de criar condições de segurança e habitabilidade aos usuários. Maior organização e limpeza no canteiro de obras, redução do prazo de execução, facilidade de introdução de isolamentos e precisão dimensional são algumas das vantagens da utilização do sistema de fechamento vertical industrializado (KRUGER, 2000). No LSF, os fechamentos internos e externos da edificação são formados por seus componentes, posicionados externamente à estrutura, e pelos perfis galvanizados. Os componentes de fechamento devem ser constituídos por elementos leves a fim de constituir um sistema de fechamento de baixo peso próprio, compatível com o conceito da estrutura. O fechamento vertical empregado deve ser um sistema racionalizado que propicie uma obra rápida e seca. Os componentes empregados nos fechamentos devem atender aos critérios de habitabilidade, segurança, desempenho estrutural, resistência e reação ao fogo, estanqueidade à água, conforto termo-acústico, durabilidade e estética. No Brasil, são disponibilizadas placas em diversas espessuras para o fechamento de construções em LSF. Segundo Crasto (2005), os produtos mais utilizados no mercado nacional são: o OSB, a placa cimentícia e o gesso acartonado em aplicações internas. Em 2003, a Caixa Econômica Federal 4 lançou um manual com o objetivo de estabelecer os requisitos e condições mínimas para financiamento de empreendimentos com o sistema Light Steel Framing. No manual de execução da Caixa Econômica 4 CAIXA ECONÔMICA FEDERAL. Sistema Construtivo utilizando perfis estruturais formados a frio de aços galvanizados (steel framing): requisitos e condições mínimas para financiamento pela CAIXA

73 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING Federal (CEF, 2003), são recomendados os seguintes fechamentos para edificações com até quatro pavimentos: Placa de gesso acartonado para paredes internas; Tela expandida de aço zincado com argamassa projetada, para paredes internas e externas; Chapa de OSB com barreira de vapor e tela de poliéster aplicadas sobre ela, e revestida com argamassa projetada, para paredes internas e externas; Placa cimentícia revestida com argamassa projetada ou outros revestimentos convencionais de cobertura, para paredes internas e externas. Para as construções objeto de financiamento pela Caixa (CEF, 2003), outras restrições referem-se aos pisos dos pavimentos e cobertura que devem ser feitos utilizando concreto aplicado sobre forma-laje incorporada de aço, à cobertura que deve utilizar telhas cerâmicas, de concreto, metálicas e de cimento reforçado por fios sintéticos e ao isolamento termo-acústico, que deve ser garantido pela câmara de ar interna das paredes ou por mantas térmicas; e por meio de grelhas de ventilação na cobertura caso seja necessário. Segundo o manual da Caixa, a edificação deve atender aos requisitos de conforto térmico exigidos pelo documento Critérios mínimos de desempenho para habitações térreas de interesse social Painéis de OSB As placas de OSB são constituídas por tiras de madeira de reflorestamento orientadas em três camadas perpendiculares, unidas com resinas e prensadas sob alta temperatura (MASISA, 2003). O OSB é utilizado como fechamento da face interna e externa dos painéis, em forros, pisos e como substrato para cobertura do telhado. O OSB é mais utilizado como fechamento externo com acabamento impermeável (FIG. 3.13). 5 INSTITUTO DE PESQUISAS TECNOLÓGICAS DO ESTADO DE SÃO PAULO S.A. Critérios mínimos de desempenho para habitações térreas de interesse social. São Paulo: Ed. Mandarim Ltda, p. (Relatório Técnico nº ). 57

74 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING FIGURA 3.13 Fachada com fechamento externo em OSB e placas de OSB impermeabilizadas. Fonte: CRASTO, 2005, p. 127 e 128. As chapas de OSB são comercializadas nas dimensões de 1,22 m x 2,44 m com espessuras que variam entre 9, 12, 15 e 18 mm. A espessura das chapas é determinada pelo tipo de acabamento (argamassa ou siding), espaçamento entre montantes e função estrutural (se trabalha como diafragma rígido) (TAB. 3.2). As placas podem ser transportadas manualmente e são fixadas por meio de parafusos auto-brocantes e autoatarraxantes específicos aos perfis galvanizados, de forma semelhante ao método de fixação do gesso acartonado no sistema drywall. TABELA 3.2 Espessura mínima das placas de OSB de acordo com espaçamento entre montantes e tipo de revestimento. OSB com revestimento leve tipo Siding vinílico Aplicação Horizontal Vertical Aplicação Horizontal Vertical Espaçamento máximo entre Espessura mínima montantes 400 mm 9 mm 600 mm 9 mm 400 mm 12 mm 600 mm 12 mm OSB com revestimento tipo argamassa Espaçamento máximo entre Espessura mínima montantes 400 mm 12 mm 600 mm 12 mm 400 mm 12 mm 600 mm 15 mm Fonte: CRASTO, 2005, p

75 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING Segundo Crasto (2005), devem-se prever juntas de dilatação entre as placas de fechamento externo e proteção contra a umidade e a água por meio de uma manta ou membrana de polietileno de alta densidade (Tyvek), que reveste toda a área externa das placas. Esta manta garante a estanqüeidade das paredes e evita a condensação no interior dos painéis, permitindo a passagem da umidade da parte interna do fechamento para o exterior. Os painéis externos de OSB não devem estar em contato direto com o solo ou fundação. Deve ser feito um embasamento elevado para evitar o contato das placas com a umidade (FIG. 3.14). FIGURA 3.14 Esquema do embasamento elevado. Fonte: CRASTO, 2005, p Para o acabamento final podem ser adotados o siding vinílico, de madeira ou cimentício e a argamassa. O siding é composto de placas paralelas, sendo o vinílico (feito com PVC) de melhor desempenho e concepção de execução mais industrializada. Esse revestimento é fornecido no mercado em painéis compostos por réguas duplas com 5,0 m de comprimento e 25,0 cm de largura, com texturas que imitam a madeira e na cor branca (FIG. 3.15). 59

76 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING FIGURA 3.15 Acabamento em Siding vinílico. Fonte: CASTRO, 2006, p. 77. O método mais indicado para o uso da argamassa revestindo as placas de OSB, consiste em aplicar a argamassa sobre a tela de galinheiro ou tela plástica resistente à alcalinidade. Para garantir a aderência da argamassa e evitar patologias, a tela deve estar disposta em duas camadas e fixada com grampos sobre a superfície do OSB impermeabilizada com a membrana de polietileno (FIG. 3.16). A argamassa deve ser aplicada uniformemente, cobrindo toda a tela. FIGURA 3.16 Restimento das placas de OSB com argamassa aplicada sobre tela de galinheiro. Fonte: CRASTO, 2005, p

77 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING Placas cimentícias As placas cimentícias são utilizadas principalmente em áreas molhadas ou expostas a intempéries, mas podem constituir fechamentos externos e internos. Essas placas são compostas basicamente por uma mistura de cimento Portland, fibras de celulose ou sintéticas e agregados. Dentre as características da placa cimentícia, destaca-se a grande resistência à umidade, o baixo peso próprio e a rapidez de execução. Os acabamentos como pintura ou revestimentos podem ser aplicados diretamente sobre as placas. No LSF, as chapas utilizadas são comercializadas nas dimensões que possuem largura fixa de 1,20 m e comprimentos que variam de 2,00 m, 2,40 m e 3,00 m; com espessuras de 6, 8 e 10 mm. A espessura das chapas é determinada conforme a aplicação. Na TAB. 3.3 apresenta-se a relação entre a espessura da placa cimentícia e a aplicação da linha BrasiPlac da BRASILIT. Espessura (mm) TABELA Relação entre espessura da placa cimentícia e aplicação Dimensões Comprimento Largura Peso Aplicações Ideais (mm) (mm) Placa (kg) 2,00 1,20 16,3 Para solução de pequenos 2,40 1,20 19,6 arremates internos 3,00 1,20 24,5 2,00 1,20 24,4 Divisórias leves, forros, 2,40 1,20 29,4 dutos de ar condicionado 3,00 1,20 36,7 2,00 1,20 32,6 Paredes internas e externas 2,40 1,20 39,2 3,00 1,20 49,0 2,00 1,20 40,8 Ideal no fechamento 2,40 1,20 49,0 externo em sistemas LSF 3,00 1,20 61,2 2,00 1,20 48,9 Fechamentos que 2,40 1,20 58,8 necessitem de maior 3,00 1,20 73,5 espessura por questões físicas específicas Fonte: BRASILIT,

78 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING Ainda não existem normas brasileiras específicas que controlem a qualidade de fabricação das placas cimentícias. As patologias de maior ocorrência nas placas cimentícias são as trincas no corpo da chapa e em juntas e revestimentos. Assim, deve-se levar em consideração a variação dimensional das placas devido à temperatura e umidade do ambiente e a natureza dos acabamentos na especificação do tipo de junta. Além disso, deve-se utilizar argamassa colante e flexível no assentamento de peças cerâmicas em locais úmidos Chapas de gesso acartonado As chapas de gesso acartonado são aplicadas no sistema LSF como fechamento vertical da face interna dos painéis estruturais e não-estruturais externos da edificação, e também como fechamento interno. De acordo com Silva e Silva (200-), as vantagens da utilização de painéis de gesso acartonado em relação ao fechamento em alvenaria tradicional são: Menor massa, proporcionando um menor peso próprio dos fechamentos; Fácil acesso às instalações hidráulicas e elétricas; A qualidade superficial permite a aplicação direta do acabamento; Redução do volume de perda de material (se a utilização for planejada); Rapidez de execução do fechamento. As chapas de gesso acartonado são fabricadas industrialmente por meio de um processo de laminação contínua de uma mistura de gesso, água e aditivos entre duas lâminas de cartão. A configuração das chapas combina a resistência à compressão do gesso com a resistência à tração do cartão. As chapas de gesso possuem espessuras de 9,5; 12,5 e 15 mm, largura de mm e comprimentos que variam de a mm (IPT, 2002). 62

79 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING No mercado nacional são disponibilizados três tipos de chapas: Placa Standard (ST) para aplicação em áreas secas; Placa Resistente à Umidade (RU), conhecida como placa verde, para paredes destinadas a ambientes sujeitos à ação da umidade; Placa Resistente ao Fogo (RF), conhecida como placa rosa, para aplicação em áreas secas que necessitem de um maior desempenho em relação ao fogo (ex.: saídas de emergência, escadas enclausuradas, shafts). Os painéis de gesso acartonado devem ser montados após a elaboração do projeto arquitetônico e complementar, pois como se trata de um sistema industrializado, não permite improvisação durante a obra Sistema Drywall Quando as divisórias internas não são estruturais, pode-se empregar o sistema Drywall. O sistema Drywall 6 é constituído por perfis U e U enrijecido (Ue) de aço galvanizado de dimensões menores que os empregados no sistema LSF, uma vez que suportam apenas o peso dos fechamentos e revestimentos, e de peças fixadas em sua estrutura. Assim como nos painéis do sistema LSF, o espaçamento entre os montantes pode ser de 400 ou 600 mm. Segundo a Abragesso (2004), as chapas de gesso acartonado são fechamentos leves por não possuírem função estrutural e sua densidade pode variar conforme a espessura de 6,5 Kg/m² a 14 Kg/m². De acordo com Jardim e Campos (2005), sobre as placas de gesso internas podem ser aplicados revestimentos usuais como cerâmica, pintura e textura; nas externas, materiais de acabamento usuais como pastilhas, pedras, reboco e pintura. 6 O termo Drywall é utilizado nos Estados Unidos considerando todos os componentes de fechamento utilizados na construção a seco. 63

80 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING Paredes O nível de desempenho das paredes em Drywall pode variar conforme o número de chapas, a dimensão e posicionamento da estrutura e a incorporação de elementos isolantes no seu interior (KNAUF DRYWALL, 2005). Os materiais isolantes são instalados entre as chapas e são constituídos de lã de vidro ou lã de rocha. Sua aplicação tem o objetivo de aumentar o isolamento termo-acústico. As espessuras de lã de vidro usualmente encontradas no mercado são apresentadas na TAB 3.4, sendo a de 50 mm mais comum. TABELA 3.4 Espessura dos materiais isolantes Paineis Condutividade Espessura Compr. Espessura térmica (mm) x Larg. (mm) (W/m C) Feltros Referência Compr. x Larg. (m x m) (m x m) WF-50 12,5 x 1,2 50 1,35 x 0,6 50 0,042 1,19 WF-75 12,5 x 1,2 75 1,35 x 0,6 75 0,042 1,78 WF ,5 x 1, ,35 x 0, ,042 2,38 Fonte: ISOVER, Resistência térmica (m² C/W) O Manual de projetos de sistemas Drywall (2006) faz algumas recomendações de utilização por ambiente do sistema Drywall em paredes. Dentre elas, algumas que podem ser aplicadas em residências em LSF: a) Paredes internas a uma mesma unidade: utilização de paredes com pelo menos uma camada de chapa de gesso de 12,5 mm de espessura em cada face (FIG. 3.17); FIGURA 3.17 Paredes simples. Fonte: DRYWALL,

81 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING b) Paredes entre unidades independentes e áreas de circulação: utilização de paredes com pelo menos duas camadas de chapas de gesso em cada face, com estrutura simples ou dupla; independentes ou solidarizadas (FIG. 3.18); FIGURA 3.18 Paredes com duas camadas de gesso. Fonte: DRYWALL, c) Paredes incorporando tubulações internas a uma mesma unidade: utilização de paredes com pelo menos uma camada de chapa de gesso em cada face. A dupla estrutura deve possuir travamento executado com pedaços de chapa de gesso com altura de 30 cm, espaçados de 1,00 a 1,50 m (FIG. 3.19); FIGURA 3.19 Paredes incorporando tubulações internas. Fonte: DRYWALL, d) Paredes de altas performances acústicas: utilização de paredes com pelo menos duas camadas de chapas de gesso em cada face, com lã mineral para aumentar o isolamento acústico. As duas estruturas devem ser independentes, pois assim, a estrutura de enrijecimento alternada evita transmissão acústica pelos montantes (FIG. 3.20). 65

82 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING FIGURA 3.20 Parede de alta performance acústica. Fonte: DRYWALL, Forros Nos forros em Drywall, as chapas de gesso são estruturadas com perfis ou peças metálicas. O nível de desempenho varia conforme os condicionantes das paredes em Drywall. Os forros podem ser de quatro tipos: e) Estruturado: formado pela justaposição de chapas de gesso com mm. Este forro é fixo e proporciona uma superfície monolítica; f) Perfurado: é o forro estruturado com chapas de gesso perfuradas para auxiliar na absorção acústica; g) Aramado: formado pela justaposição de chapas de gesso com 600 mm. Fazem parte da estruturação as nervuras das chapas de gesso e proporciona uma superfície monolítica; h) Removível: formado pela sobreposição de chapas de gesso em perfis tipo T. As chapas podem ser removidas para acessar as instalações. A metragem máxima para a execução do forro é apresentada na TAB TABELA 3.5 Metragem máxima dos forros em Drywall. Tipo de forro Metragem linear Metragem quadrada máxima máxima Forro Estruturado 15 m 225 m² Forro Aramado 15 m 50 m² Forro Removível Não há necessidade Fonte: DRYWALL,

83 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING Alvenaria Quando utilizada nas construções em LSF, a alvenaria é um fechamento independente da estrutura, funcionando como um invólucro vinculado a ela por meio de conectores metálicos. As cargas verticais da parede de alvenaria são transferidas diretamente para as fundações. É necessária a utilização do OSB no assentamento dos tijolos para propiciar uma base para a impermeabilização e funcionar como diafragma rígido (FIG. 3.21). Deve-se planejar a racionalização na execução da parede de alvenaria, uma vez que se trata de um sistema artesanal, diferente do conceito do LSF. FIGURA 3.21 Fechamento de alvenaria de painéis LSF. Fonte: CRASTO, 2006, p Isolamento térmico De acordo com Rivero (1986), o objetivo de um isolamento é controlar ao máximo as condições térmicas de um meio habitado diante dos agentes térmicos hostis do meio imediato. Nas construções em LSF o isolamento térmico baseia-se no conceito de isolação multicamada, que consiste em combinar placas leves de fechamento, deixando um espaço a ser preenchido com material isolante (lã mineral). 67

84 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING Em um fechamento industrializado constituído por várias camadas, a resistência total do fechamento é igual à soma das resistências de cada uma de suas camadas. O isolamento térmico será maior, quanto mais materiais em forma de camada for agregada a espessura do fechamento. Assim, o poder de amortecimento da onda de calor também se intensifica, aumentando a capacidade térmica do conjunto. A eficiência do fechamento dependerá das propriedades termo-fisícas dos componentes. Nos países de clima temperado, para o isolamento térmico da edificação, é considerada a capacidade dos perfis estruturais de produzir pontes térmicas em determinadas condições de temperatura. Nesses países são pesquisados painéis de grande capacidade de isolamento térmico, como painéis de EIFS (Exterior Insulation and Finish System) que contém EPS (poliestireno expandido) em uma de suas camadas (FIG. 3.22). Porém, no clima quente e úmido, o efeito das pontes térmicas não tem grande efeito, pois a diferença entre a temperatura interna e externa nas edificações não é tão significativa quanto no clima temperado, sendo pequena a perda de calor pelos perfis no sistema LSF 7. FIGURA Desenho esquemático de fechamento externo com EIFS: 1- substrato; 2- placa de EPS; 3-revestimento de base; 4- malha de reforço; 5- regulador de fundo; 6- revestimento final. Fonte: PAINEL EIFS, Em construções onde a estrutura metálica aparece como elemento aparente, os perfis atuam como elemento facilitador das trocas térmicas, sendo considerável a perda de calor pela estrutura. 68

85 O SISTEMA LIGHT STEEL FRAMING Em Minas Gerais, na cidade de Belo Horizonte, o sistema EIFS foi utilizado como revestimento externo de uma residência em LSF com área construída de 283,5 m², considerando como um de seus condicionantes o aspecto final de revestimento tradicional em argamassa. No projeto da arquiteta Karina Venâncio Bonitese e do professor Francisco Carlos Rodrigues, o revestimento foi composto basicamente por OSB, Tyvek, isopor e argamassa elastomérica, formando um conjunto resistente a impactos, capaz de absorver qualquer tipo de movimentação da estrutura (FIG. 3.23). (BONITESE, 2006). FIGURA Revestimento externo em EIFS. Fonte: BONITESE, 2006, p

86 CAPÍTULO IV 4 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES 4.1 Considerações iniciais Pode-se definir o conforto térmico de um determinado ambiente como a sensação de bem-estar experimentada por uma pessoa, resultante da combinação satisfatória da temperatura radiante média, umidade relativa, temperatura do ambiente e velocidade relativa do ar, vestimenta e atividade desenvolvida pelos usuários (ASHRAE, 1997; ISO 7730:1994; RUAS, 1999). A avaliação do desempenho térmico de edificações consiste em verificar se as condições dos ambientes internos atendem as exigências de conforto térmico de seus usuários. Vittorino (2005) afirma que o desempenho térmico de uma edificação é função direta do grau de conforto térmico de seus ocupantes, podendo ser considerado, também, o consumo de energia necessário para climatizar a edificação. A avaliação compreende ambientes ventilados naturalmente e ambientes condicionados por meio de equipamentos de condicionamento de ar. Para avaliar as edificações condicionadas, é necessário verificar a demanda de cargas térmicas para o condicionamento de ar do ambiente. Neste caso, o desempenho térmico da edificação será melhor, quanto menor forem essas cargas térmicas. No caso de edificações sem condicionamento térmico artificial, a avaliação consiste em verificar se as respostas térmicas dos ambientes internos atendem às exigências humanas de conforto térmico. Nesta modalidade de avaliação, o desempenho térmico estará em função das condições de conforto térmico avaliando-se as temperaturas internas e umidade do ar. Esta verificação deve ser feita considerando a resposta global da edificação e não somente o comportamento térmico dos elementos de fechamento isoladamente (AKUTSU, 1998; IPT, 1998).

87 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES Nos países frios, é recomendável a hipótese de regime permanente para a determinação das trocas térmicas que ocorrem através da envoltória da edificação. Considerando esta hipótese, a avaliação do desempenho térmico de edificações é feita adotando como indicadores a resistência térmica ou a condutância dos elementos componentes da edificação. Dessa forma, os critérios de avaliação indicam valores limites para esses indicadores, que são definidos em função do tipo do uso da edificação (perfil de ocupação) e das características do clima local (AKUTSU, 1998). Estes indicadores se aplicam às avaliações em condições de inverno, pois o objetivo está limitado no cálculo das perdas de energia utilizada no aquecimento dos ambientes. Nas condições de verão, as exigências relativas ao conforto do ambiente são contornadas por meio do controle dos ganhos de energia solar e das trocas de massa de ar do ambiente (SOUZA, 2005). A hipótese de regime permanente é bastante inadequada para as condições climáticas do Brasil, uma vez que a busca do conforto no verão ocorre por meio de sistemas de condicionamento térmico artificial e as variações de temperatura são significativamente maiores do que as variações dos países de clima frio. Neste caso, é necessário avaliar outras trocas térmicas que ocorram nos ambientes, tais como as possibilidades de perda de energia do ambiente pela ventilação, pela condução e convecção de calor por alguns elementos da edificação por meio de uma abordagem dinâmica. A partir desses parâmetros, deve-se equacionar o equilíbrio entre as perdas e ganhos de energia que ocorrem simultaneamente e que variam significativamente ao longo de um dia. Assim, a capacidade térmica da edificação não pode ser desprezada e deve ser associada juntamente com a resistência térmica dos elementos construtivos para a avaliação do comportamento térmico da edificação (AKUTSU, 1998). A resposta térmica de uma edificação frente às condições típicas de exposição ao clima e de ocupação pode ser avaliada por meio de medição in loco das variáveis representativas do desempenho ou por meio de simulação computacional (numérica). Na avaliação térmica feita por medições in loco, busca-se corrigir alguns problemas na construção e retro alimentar o processo de projeto de edificações cuja resposta térmica 71

88 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES atende às exigências de conforto. Por outro lado, a abordagem numérica pode eliminar a necessidade de futuras intervenções arquitetônicas e/ou uso de equipamentos de condicionamento de ar, uma vez que esta avaliação pode ser feita na fase de projeto. Durante o ano todo, o uso de sistemas de climatização na maior parte das habitações brasileiras é baixo ou até inexistente, devendo a edificação fornecer condições satisfatórias de conforto térmico em condições naturais. Devem-se considerar as interações entre o ambiente natural externo e o ambiente construído para evitar, por exemplo, um gasto maior de energia para seu aquecimento ou resfriamento (SOUZA, 2005; VITTORINO, 2005). Neste capítulo faz-se uma revisão do processo de simulação do desempenho térmico de edificações, enfocando aquelas condicionadas naturalmente. São apresentados os parâmetros de simulação dos modelos Simulação térmica de edificações não condicionadas Uma edificação energeticamente eficiente é aquela que pode proporcionar conforto aos seus ocupantes sem nenhum ou com menor consumo de energia. Com a crise de energia na década de 70 e o impacto ambiental causado por novas usinas, fez-se necessário repensar numa arquitetura mais eficiente energeticamente. Por meio da simulação numérica, pode-se prever o desempenho energético de um projeto arquitetônico e conhecer o comportamento dos elementos construtivos propostos. Além disso, conhecendo-se o clima local, a proposta arquitetônica pode otimizar os sistemas naturais e artificiais de iluminação e de condicionamento. Os softwares de simulação energética de edificações utilizam modelos matemáticos complexos que simulam no interior dos ambientes o efeito do armazenamento térmico e das trocas de calor (convecção e radiação). Esses programas foram desenvolvidos devido ao grande número de variáveis envolvidas na simulação energética de um ambiente construído (PINTO, 2000). O ESP-r é um exemplo de programa de simulação 72

89 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES térmica. Esse programa permite avaliar a carga térmica máxima de resfriamento ou aquecimento, onde e quando ela ocorre, o efeito do isolamento na carga térmica, o instante ótimo para que a instalação de climatização entre em operação e também a avaliação do consumo de energia. Os modelos de cálculo do ESP-r utilizam os métodos dos elementos finitos e das diferenças finitas para a simulação do comportamento térmico dos ambientes e sistemas de condicionamento (CLARKE, 1985). Um outro software de simulação energética de edificações é o EnergyPlus (CRAWLEY et al, 2000), que é o programa computacional utilizado neste trabalho. Para a determinação do comportamento térmico de uma edificação, os softwares de simulação devem considerar nos cálculos o caráter dinâmico dos fenômenos de trocas de energia e massa entre o ambiente construído e o ambiente natural externo. Segundo o IPT (1998), esses programas devem possuir as seguintes características: cálculo dos fluxos de energia térmica por condução em regime transitório; cálculo das temperaturas internas e externas dos fechamentos por meio de equações de balanço de energia que considerem simultaneamente as trocas de calor por radiação entre os fechamentos e por convecção com o ar; e cálculo da temperatura do ar interior do ambiente, em conjunto com o cálculo das temperaturas superficiais dos fechamentos, considerando as trocas de massa de ar do ambiente. Os principais elementos que compõem os softwares de simulação do comportamento térmico de edificações são apresentados no fluxograma mostrado na FIG As condições de exposição da edificação ao clima são determinantes para a avaliação das interações térmicas entre o ambiente externo e interno através da envoltória (fachadas e cobertura) da edificação. Segundo Fransozo (2003), o ideal seria fazer a caracterização climática a partir de dados meteorológicos do local considerado, considerando assim as características do microclima local. As informações climáticas são caracterizadas pelos valores horários de temperatura e umidade relativa do ar, radiação solar global e pela velocidade média do vento predominante; nos dias típicos de projeto para o período de verão e de inverno. Esses 73

90 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES dias são caracterizados em função de suas freqüências de ocorrência, que representam níveis de exigência na avaliação. Tem-se adotado a freqüência de ocorrência de 10% tanto para o dia típico de verão como para o dia típico de inverno (AKUTSU, 1998; IPT, 1998). FIGURA 4.1 Fluxograma dos principais elementos para a simulação térmica de uma edificação ventilada naturalmente Fonte: adaptado de AKUTSU,

91 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES A caracterização da edificação está associada à identificação dos ambientes típicos e o levantamento das condições de ocupação para cada ambiente, à posição geográfica, à orientação solar e às dimensões da edificação. As condições de ocupação determinam as principais fontes internas de calor e são caracterizadas pelo período de ocupação, número de ocupantes, atividades típicas dos ocupantes, taxas de liberação de energia térmica e de vapor d água de equipamentos e processos no interior do recinto, taxas de ventilação do ambiente e uso de dispositivos de sombreamento de aberturas e fechamentos externos (IPT, 1998). A orientação e a época do ano estão associadas à quantidade de radiação solar que incide em cada superfície externa da edificação. As informações relativas à forma arquitetônica influenciam no conforto térmico da edificação e no consumo de energia. Além disso, a forma interfere diretamente sobre os fluxos de ar no interior e no exterior e, também, na quantidade de luz recebida pela edificação (SOUZA, 2005). Os materiais de fechamento são caracterizados por suas propriedades termo-físicas. Conhecendo-se a condutividade térmica, o calor específico e a massa específica dos materiais componentes, pode-se determinar a resistência térmica, que é importante na avaliação do mecanismo de condução através da envoltória da edificação e paredes internas. A absortância, refletância e transmitância são propriedades importantes na avaliação do mecanismo de radiação, principalmente através de áreas envidraçadas, e também para a radiação solar incidente (SOUZA, 2005). Estes dados são necessários para a determinação da resposta térmica da edificação e, em geral, são apresentados em manuais e publicações de instituições de pesquisa. Além dessas propriedades, também é importante considerar a forma, as dimensões e a orientação dos componentes dos materiais empregados Critérios de avaliação para edificações não condicionadas O critério de avaliação para edificações não condicionadas desenvolvido pelo IPT (1998) classifica o desempenho térmico da edificação em função do seu comportamento nos dias típicos de verão e inverno, respectivamente, segundo níveis A, B, ou C ; 75

92 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES adotando-se como parâmetro de avaliação, a temperatura do ar interior. Esses critérios estão representados nos fluxogramas da FIG. 4.2 e são definidos para edificações térreas de interesse social. FIGURA 4.2 Classificação do desempenho térmico da edificação. Fonte: adaptado de AKUTSU, No verão, uma habitação será classificada como nível A quando seu ambiente interno apresentar temperatura inferior a 29 C durante todo o dia; nível B, se o valor máximo diário da temperatura do ar interior não ultrapassar o valor máximo diário da temperatura do ar exterior, adotada como temperatura máxima de referência; e será 76

93 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES classificada como nível C, quando o valor máximo diário da temperatura do ar interior for superior ao valor máximo diário da temperatura do ar exterior. Já no inverno, uma habitação será considerada nível A quando a temperatura do ar interior for maior ou igual a 17 C durante todo o dia; nível B quando o valor mínimo diário da temperatura do ar interior for maior ou igual a 12 C; e será classificada como nível C quando o valor mínimo diário de temperatura do ar interior for menor do que 12 C. Não sendo aceitas edificações com desempenho classificado dentro do nível C, tanto para o inverno quando para o verão (IPT, 1998). 4.2 O programa EnergyPlus Atualmente, o Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) disponibiliza informações sobre 318 programas de simulação para avaliação da eficiência energética, da energia renovável e da sustentabilidade nos edifícios. No Building Energy Tools Directory (U. S. DOE, 2006) disponibilizam-se várias ferramentas e programas de simulação do desempenho energético de edifícios. Embora sejam muitos programas e informações disponibilizados, a aplicação prática dessas ferramentas tem sido pouco expressiva devido ao tempo necessário para treinamento do usuário. O EnergyPlus (versão 1.2.3) foi desenvolvido pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos (CRAWLEY et al, 2000). Utilizando um arquivo climático da região de interesse e considerando dados como caracterização geométrica da edificação, componentes construtivos, cargas elétricas instaladas, sistemas de condicionamento de ar e padrões de uso, o programa EnergyPlus estima o consumo de energia considerando as trocas térmicas da edificação com o exterior. O EnergyPlus possibilita grande flexibilidade nas simulações e maior precisão na simulação de ambientes condicionados naturalmente. A modelagem matemática empregada no EnergyPlus utiliza o menor número de hipóteses simplificadoras entre todos os softwares disponíveis, implicando na melhor representação física das trocas 77

94 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES térmicas no interior dos ambientes em modelos de simulação detalhada. Este software também permite a solicitação de diversos relatórios, incluindo a temperatura interna de cada zona térmica (LBNL, 2006; PEREIRA, 2004). O programa EnergyPlus, dentre outras, apresenta as seguintes vantagens no trabalho de módulos: simulação de edifícios de formas complexas e de vários pavimentos; diversidade e quantidade de dados de entrada que torna o programa mais preciso; extenso banco de dados de materiais construtivos e suas características e variedade de dados de saída, o que permite análises diversificadas e bem fundamentadas (BUORO et al., 2006; LARA e ALUCCI, 2006) Muitas das características de simulação do EnergyPlus foram herdadas dos programas BLAST e DOE-2. Esses programas ainda são ferramentas válidas na simulação de ambientes, sendo escritos em FORTRAN (U.S. DOE, 2006). O EnergyPlus é um executável e não tem uma interface gráfica definida para o usuário e as entradas e saídas são em texto simples, podendo ser tabulados em outras plataformas. Porém, na instalação do EnergyPlus existe um componente opcional da instalação: o EP-Launch, que evita a linha de comando do DOS para executar o EnergyPlus, simplificando a entrada de dados. As interfaces específicas são desenvolvidas por empresas de acordo com a área de interesse, como é o caso do programa DesignBuilder (FIG. 4.3), que facilita o desenho da edificação e faz o tratamento de dados de forma gráfica (DESIGNBUILDER, 2006). FIGURA 4.3 Interface do DesignBuilder. Fonte: DESIGNBUILDER,

95 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES 4.3 Metodologia adotada A avaliação do desempenho térmico de uma edificação, ventilada naturalmente, consiste em verificar se as condições de temperatura do ar interior podem proporcionar sensação de conforto térmico aos usuários. Esta análise é feita considerando a resposta global da edificação em relação às interações térmicas existentes entre o ambiente natural externo e o ambiente construído e não somente o comportamento térmico de elementos de fechamento isoladamente. Como no Brasil as condições climáticas predominantes são as de verão, a avaliação térmica das edficações é realizada considerando-se as condições para um dia típico de verão. Como dito anteriormente, as etapas relevantes do processo de avaliação do desempenho térmico de uma edificação, por meio de simulação numérica, abrangem principalmente a caracterização das exigências humanas de conforto térmico, a caracterização das condições típicas de exposição ao clima, a caracterização da edificação e seu perfil de ocupação e também a caracterização do sistema de fechamento vertical, horizontal e cobertura. Para a determinação do comportamento térmico dos modelos utiliza-se o programa computacional de simulação numérica EnergyPlus, seguindo as seguintes etapas: a) Caracterização das exigências humanas; b) Caracterização das condições climáticas c) Caracterização dos modelos em LSF; d) Caracterização e configuração dos fechamentos; e) Simulação numérica das interações térmicas entre o ambiente externo e interno; f) Obtenção do perfil da temperatura do ar interno; g) Avaliação das condições de conforto térmico interno. 79

96 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES Caracterização das exigências humanas A caracterização das exigências humanas de conforto térmico é uma das etapas do processo de avaliação do desempenho térmico; que também abrange a caracterização das condições climáticas, da edificação e sua ocupação e a determinação do comportamento térmico da edificação. Não existe uma temperatura exata para definir o conforto térmico. Um indivíduo que sente conforto numa determinada condição climática pode não sentir desconforto imediato quando a temperatura do ar sofrer uma variação. As exigências humanas são caracterizadas por valores, ou intervalos de valores inter-relacionados da temperatura, umidade relativa, velocidade do ar e temperatura radiante média do ambiente. Esses valores são fixados em função das características do ocupante, dadas pela sua taxa metabólica, atividade e pelo índice de resistência térmica de sua vestimenta, e devem representar condições satisfatórias de conforto térmico (FANGER, 1972). A norma NBR 6401:1980 apresenta valores recomendáveis de temperatura do ar e máximas de bulbo seco e úmido, para as condições de verão e inverno, conforme o local e finalidade para ambientes condicionados. A norma ISO 7730:1994 estabelece que há conforto térmico quando pelo menos 80% dos ocupantes de um recinto expressem satisfação em relação ao ambiente térmico. Essas normas permitem a definição dos intervalos de valores para os parâmetros de conforto que vão caracterizar as exigências humanas de conforto térmico Caracterização das condições climáticas Os dados climáticos para o dia típico de verão das cidades analisadas foram obtidos no diretório do EnergyPlus (U. S. DOE, 2006). As cidades contempladas na caracterização climática são: Curitiba, Belo Horizonte, Brasília, Goiânia, Teresina e Belém. A escolha dessas cidades para a simulação dos modelos teve como condicionantes a disponibilidade de dados no diretório do EnergyPlus de forma a contemplar o maior número possível de zonas bioclimáticas definidas na norma NBR 15220:

97 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES No Anexo I, é apresentada a caracterização climática dos dias típicos considerando os dados solicitados pelo programa, juntamente com as trajetórias solares para cada caso. A visualização gráfica das trajetórias solares facilita o entendimento do comportamento térmico dos ambientes apresentados nos resultados. Por meio do programa Analysis SOL-AR (UFSC, 2006), pode-se obter a carta solar conforme as latitudes especificadas. Nas cartas solares podem-se extrair as informações relativas ao horário de insolação sobre as superfícies verticais 1 (FIG. 4.4). As fachadas foram consideradas livres de obstáculos externos. FIGURA 4.4 Carta solar para latitude S. Fonte: UFSC, Caracterização dos modelos em LSF Modelo 1 O projeto arquitetônico do modelo 1 é baseado em um protótipo residencial em Light Steel Framing construído em Indaiatuba, cidade do interior do Estado de São Paulo. O modelo 1 foi simulado considerando as cidades: Curitiba, Belo Horizonte, Brasília, Goiânia, Teresina e Belém. A seguir é apresentado o protótipo. 1 Para melhor visualização do movimento relativo entre o Sol e a Terra, foram extraídas imagens do programa SUNPATH_ desenvolvido na Universidade Federal de São Carlos ANEXO 1. 81

98 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES a) Protótipo residencial em LSF Por meio da iniciativa de uma empresa de consultoria imobiliária e construtora local, foi construído um protótipo de uma residência unifamiliar com o sistema Light Steel Framing em Indaiatuba - SP. O projeto foi orientado pelas especificações do manual da Caixa Econômica Federal (CEF, 2003). O protótipo, com área de 37,30 m², possui em seu programa: sala, cozinha, dois quartos e um banheiro (FIG. 4.5). FIGURA 4.5 Planta baixa do protótipo. Fonte: CASTRO, 2006, p. 78. Os painéis dos fechamentos foram montados in loco, assim como as tesouras do telhado. Na cobertura de telha cerâmica, foi empregada uma manta de polietileno de alta densidade sobre as tesouras para evitar a infiltração de água de chuva. Internamente foram utilizadas placas de gesso acartonado padrão standard nas áreas secas e placas de gesso resistentes à umidade nas áreas molháveis (FIG. 4.6). FIGURA 4.6 Aplicação de gesso resistente à umidade no banheiro. Fonte: CASTRO, 2006, p

99 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES Como fechamento externo, foi utilizado placas de OSB com manta de impermeabilização e acabamento em siding vinílico (FIG. 4.7). FIGURA 4.7 Aplicação de chapa de OSB. Fonte: CASTRO, 2006, p. 79 e 80. O protótipo foi executado em 45 dias, empregando três operários. O objetivo da construção desta residência era demonstrar a viabilidade do emprego da tecnologia do Light Steel Framing. b) Modificações e complementações do protótipo CRASTO (2005) apresenta alguns condicionantes para a elaboração de projetos de arquitetura em LSF. Em fase de estudo preliminar, pode ser empregada uma malha de 1200 x 1200 mm, uma vez que nesse momento não se sabe se a modulação estrutural será de 400 ou 600 mm. No projeto do modelo simulado, foi considerado uma malha geométrica modular de 600 x 600 mm, uma vez que se trata de um projeto de uma residência térrea unifamiliar de interesse social; ou seja, a estrutura não recebe grandes solicitações implicando em uma distância maior entre os montantes. 83

100 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES As modificações e complementações foram realizadas para adequar a edificação ao sistema construtivo. A planta modificada apresenta o mesmo programa de necessidades do protótipo. A diferença básica no Modelo 1 é a adequação da planta e da elevação do protótipo a uma malha de 600 x 600 mm (FIG. 4.8, 4.9 e 4.10) FIGURA 4.8 Planta baixa do Modelo 1 (malha de 600 x 600 mm). 84

101 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES FIGURA 4.9 Elevação do Modelo 1 (malha de 600 x 600 mm). FIGURA 4.10 Perspectiva do Modelo 1 (gerada após a simulação) Modelo 2 O Modelo 2 é uma residência unifamiliar de dois pavimentos em LSF projetada pelo arquiteto Guilherme Torres da Cunha Jardim, que faz parte da gerência e desenvolvimento da aplicação do aço na empresa USIMINAS. 85

102 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES O Modelo 2 foi simulado somente para a cidade de Belo Horizonte, por ser o local de implantação do projeto. As plantas e a volumetria da edificação são apresentadas nas FIG. 4.11; 4.12 e FIGURA Planta baixa do Modelo 2 (1 pvto.) FIGURA Planta baixa do Modelo 2 (2 pvto.) 86

103 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES FIGURA 4.13 Perspectiva do Modelo 2 (gerada após a simulação) Caracterização e configuração dos fechamentos Propriedades termo-físicas dos materiais As características dos materiais utilizados na composição dos fechamentos são apresentadas nas TAB. 4.1 a 4.3. A maior parte dos dados foi retirada da norma de NBR 15220:2005. Dados específicos de entrada no EnergyPlus foram retirados do programa E2-AC, que é uma interface simplificada do EnergyPlus desenvolvido pelo LabEEE (UFSC, 2006). 87

104 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES TABELA 4.1 Elementos de construção das superfícies Material Rugosidade Espessura (m) Condutividade térmica (W/m.K) Massa específica (kg/m³) Calor específico (J/kg.K) Coeficiente de absorção térmica Placa de Medium 0,012; 0, ,9 OSB Rough 0,015; 0,018 Placa Medium 0,01 0, ,9 cimentícia Rough Gesso Smooth 0,0125; 0, ,9 acartonado 0,015 Lã de vidro Rough 0,015; 0, ,9 0,025; 0,05; 0,075 Tijolo Rough 0,09 0, ,9 maciço Siding PVC Smooth 0,002 0, ,9 Argamassa Rough 0,01 1, ,9 comum Concreto Rough 0,1; 1, ,9 normal 0,04 Piso Medium 0,01 0, ,9 cerâmico Rough Compensado Smooth 0,005 0, ,9 Telha Rough 0,01 1, ,9 cerâmica Chapa Smooth 0, ,9 metálica Fonte: NBR :2005; CLARKE, 1985; UFSC,

105 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES Natureza da superfície da câmara de ar TABELA 4.2 Resistência das câmaras de ar não ventiladas, com largura muito maior que a espessura Espessura e Resistência térmica Rar (m².k/w) da câmara de ar Direção do fluxo de calor (cm) Horizontal Ascendente Descendente Superfície de alta emissividade (ε > 0,8) Superfície de baixa emissividade (ε < 0,2) 1,0 < e < 2,0 0,14 0,13 0,15 2,0 < e < 5,0 0,16 0,14 0,18 e > 5,0 0,17 0,14 0,21 1,0 < e < 2,0 0,29 0,23 0,29 2,0 < e < 5,0 0,37 0,25 0,43 e > 5,0 0,34 0,27 0,61 Fonte dos dados: NBR :2005. p. 11. TABELA Características dos vidros utilizados em portas e janelas Nome Vidro comum 3 mm Vidro comum 6 mm Propriedades óticas Média espectral Média espectral Espessura 0,003 0,006 Transmitância (incidência solar normal) Refletância (incidência solar normal) superfície frontal Refletância (incidência solar normal) superfície oposta Transmitância na faixa do visível (incidência normal) Refletância na faixa do visível (incidência solar normal) superfície frontal Refletância na faixa do visível (incidência solar normal) superfície oposta Transmitância na faixa do infravermelho (incidência 0,837 0,775 0,075 0,071 0,075 0,071 0,898 0,881 0,081 0,08 0,081 0,

106 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES normal) Emissividade hemisférica na 0,84 0,84 faixa do infravermelho (superfície frontal) Emissividade hemisférica na 0,84 0,84 faixa do infravermelho (superfície oposta) Condutividade térmica 0,9 0,9 Fator de correção (limpeza da 1 1 superfície) e transmitânica na faixa do visível Difusão solar Yes Yes Fonte: UFSC, Composição dos fechamentos Os fechamentos foram classificados em: fechamento interno pesado (FIP), fechamento interno leve (FIL), fechamento externo leve (FEL), fechamento externo tradicional (FET), fechamento externo pesado (FEP), laje úmida pesada (LUP), laje seca isolada (LSI) e laje seca leve (LSL). A classificação dos fechamentos se deu por meio do cálculo da inércia térmica pelo programa ARQUITROP desenvolvido pela Universidade Federal de São Carlos (UFSC, 2006). Na definição da composição dos fechamentos leves, procurou-se valores de atraso térmico próximos daquele referente a uma parede de tijolos de 6 furos quadrados, assentados na menor dimensão, com 2,5 cm de argamassa nas duas faces (φ = 3.3 h). Na composição das coberturas o atraso térmico é maior que o recomendado pela norma NBR 15220:2005, uma vez que a laje foi contemplada nos cálculos de inércia térmica. Mesmo assim, as lajes foram classificadas em úmida pesada, seca leve e seca isolada. Nas TAB. 4.4 a 4.10 são apresentados os tipos de fechamentos analisados. Nesses fechamentos, a parede possui estrutura metálica simples (Perfil Ue de 90 mm) e distância entre eixos dos montantes de 600 mm. As cotas apresentadas nas composições dos fechamentos estão em milímetros. 90

107 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES Denominação TABELA 4.4 Fechamentos internos pesados Esquema físico Esquema FIP 1 Retardamento: 6.67 h Amortecimento: 83 % Esquema FIP 2 Retardamento: 6.87 h Amortecimento: 83 % Esquema FIP 3 Retardamento: 6.81 h Amortecimento: 83 % 91

108 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES Denominação TABELA 4.5 Fechamentos internos leves Esquema físico Esquema FIL 1 Retardamento: 4.04 h Amortecimento: 65 % Esquema FIL 2 Retardamento: 3.98 h Amortecimento: 65 % Esquema FIL 3 Retardamento: 3.23 h Amortecimento: 57 % 92

109 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES Denominação TABELA 4.6 Fechamentos externos leves e tradicional Esquema físico Esquema FEL 1 Retardamento: 3.20 h Amortecimento: 57 % Esquema FEL 2 Retardamento: 3.18 h Amortecimento: 56 % Esquema FET Retardamento: 5.00 h 93

110 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES Denominação TABELA 4.7 Fechamentos externos pesados Esquema físico Esquema FEP 1 Retardamento: 6.73 h Amortecimento: 83 % Esquema FEP 2 Retardamento: 6.97 h Amortecimento: 84 % Esquema FEP 3 Retardamento: 6.68 h Amortecimento: 83 % 94

111 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES Denominação TABELA 4.8 Fechamentos externos pesados (continuação) Esquema físico Esquema FEP 4 Retardamento: 6.62 h Amortecimento: 82 % Esquema FEP 5 Retardamento: 7.02 h Amortecimento: 84 % Esquema FEP 6 Retardamento: 7.21 h Amortecimento: 85 % 95

112 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES Denominação TABELA 4.9 Laje úmida pesada Esquema físico Esquema LUP Retardamento: h Amortecimento: 94 % 96

113 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES Denominação TABELA 4.10 Laje seca isolada Esquema físico Esquema LSI Retardamento: 8.04 h Amortecimento: 88 % 97

114 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES Denominação TABELA 4.11 Laje seca leve Esquema físico Esquema LSL Retardamento: 4.28 h Amortecimento: 67% Parâmetros gerais de simulação As informações necessárias para executar o programa EnergyPlus (versão 1.2.3) correspondem às características do modelo simulado, e são indicadas a seguir: Parâmetros da simulação 98

115 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES 1 Edificação i - Ângulo que o eixo Y do edifício faz com a direção do norte verdadeiro: ii Tipo do terreno (para determinar a forma que o adensamento influi na ventilação do edifício). Adotado: suburbs ambiente arborizado. iii - Precisão da convergência de cargas térmicas (representa o número em que os valores das cargas devem concordar antes que a convergência seja alcançada). Adotado: erro de 0,01 W. iv - Precisão da convergência de temperatura: erro de 0,1 ºC. v - Radiação solar e reflectância das superfícies externas que entram no edifício: FullInteriorAndExteriorWithReflections. 2 - Intervalo de tempo por hora da simulação (Time Step in Hour): 4 default do programa. 3 - Algoritmo de convecção interna (correlaciona o coeficiente de transferência térmica com a variação de temperatura para várias orientações): Detailed detalhado. 4 - Algoritmo de convecção externa (considera a rugosidade do edifício): Detailed detalhado. 5 - Algoritmo de solução (seleciona qual o algoritmo de transferência de calor que será utilizado na envoltória do edifício): CTF considera apenas o calor sensível. 6 - Período de tempo em que os cálculos de sombreamento são feitos: default do programa Modelo de fluxo de ar: defini-se a utilização ou não do COMIS - considera modos complexos de ventilação. Adotado: Simple - calcula o fluxo de ar a partir do fluxo calculado em projeto. 8 Período simulado: a simulação foi feita para os dias típicos de verão Descrição das zonas térmicas Uma zona térmica não corresponde necessariamente a um ambiente da edificação. Ela é caracterizada por um volume de ar da edificação com temperatura uniforme. Para a simulação dos modelos, cada ambiente foi considerado como uma zona térmica, conforme o uso e ocupação distintos, a fim de se obter resultados mais detalhados. 99

116 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES Rotinas de ocupação dos modelos Por meio do item Schedule do programa EnergyPlus, define-se a rotina de ocupação ao longo do dia de projeto. A rotina de ocupação de pessoas é apresentada na TAB Os ocupantes foram considerados utilizando roupas com resistência de 1,0 CLO e realizando atividades sedentárias, liberando uma taxa de calor de 131 W por pessoa (71 sensível e 60 latente), sendo adotada a parcela radiante de 60% (defaut do programa). TABELA Horário de ocupação de pessoas no dia de projeto Período Porcentagem de ocupação de pessoas(%) De h 100 De h 50 De h 100 De h 50 De h 100 Para a iluminação, a rotina de ocupação é o acendimento das lâmpadas às 18:00 h (100 %) e o desligamento total às 22:00 h. Para iluminação tipo fluorescente para uso residencial, a potência dissipada é de 10 W/m², sendo a parcela radiante de 40% e a visível de 20%. Nos ganhos internos de calor, também foram considerados equipamentos como chuveiro elétrico e um fogão comum. Os dados são apresentados na TAB TABELA Consumo de eletrodomésticos Eletrodoméstico Potência (W) Média de utilização / dia (min) Período Chuveiro elétrico De h Fogão comum De h Fonte: PROCEL, 2006; FRANSOZO,

117 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES Na ventilação natural da edificação, o fluxo de ar de cada ambiente é calculado pelo EnergyPlus por meio da seguinte equação: 2 ( V )( F )[ A + BT T + C( V ) D( V )] Ventilação = + (4.1) projeto zona ar externo vento vento onde V projeto é a quantidade máxima de ventilação esperada em condições do projeto; F é uma fração (0 a 1) que varia o volume de ar do V projeto ; T zona é a temperatura da zona térmica que está sendo simulada; T ar externo é a temperatura do ambiente externo e V vento é a velocidade do vento. As aberturas foram consideradas totalmente abertas de 8 as 22 h. Os coeficientes A, B, C e D (Eq. (4.1)) foram definidos conforme os exemplos contidos no banco de dados do programa, resultando em A = 0,606; B = 0,0202; C = 0, e D = 0,0. Para uma mesma região definida no zoneamento bioclimático brasileiro da norma NBR 15220:2005, existem diversas condições reais de ventilação. Além disso, sabe-se que não é possível obter o mesmo número de renovações de ar em todos os ambientes de uma edificação. Mas, como na entrada de dados no programa EnergyPlus a taxa de renovação de ar é um item que deve ser considerado na simulação, foi estipulado quatro renovações de ar por hora por ambiente nos dois modelos (COSTA, 2005). Esse valor é considerado o mesmo para todos os cômodos da edificação, o que na verdade, não é real. Para todas as simulações foram consideradas duas árvores nas fachadas leste e oeste nos dias típicos de verão; como medida de proteção solar. A interferência do número de renovações de ar nos ambientes e da rotina de ocupação estabelecida, no comportamento térmico da edificação, é apresentada nos resultados mostrados nas FIG. 4.14, 4.15 e 4.16, considerando o Modelo 1 e os dados climáticos da cidade de Belo Horizonte. 101

118 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES 34 Temperatura ( C) Tempo (h) 3 renovações 4 renovações Amb. externo FIGURA 4.14 Influência do número de renovações do ar por hora na temperatura interna da edificação. 34 Temperatura ( C) Tempo (h) Ocupação estabelecida Sem pessoas de 8 as 12 h e de 13 as 18 h Amb. externo FIGURA 4.15 Influência do perfil de ocupação nos ganhos internos de calor. 102

119 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES 34 Temperatura ( C) Tempo (h) Com lâmpadas Sem lâmpadas de 18 as 22 h Amb. externo FIGURA 4.16 Influência do uso de iluminação interna nos ganhos internos de calor. Observa-se pelos resultados mostrados nas FIG e 4.16, que a rotina de ocupação influencia no valor da temperatura do ar interno. Como o Modelo 1 contempla zonas (cômodos) pequenas, desse modo a carga térmica interna (perfil de ocupação) tem grande influência na resposta do ambiente às interações térmicas com ambiente externo. Sendo assim, uma combinação de estratégias bioclimáticas (por exemplo, ventilação cruzada com fechamento interno pesado) pode proporcionar uma melhora no desempenho térmico da edificação. 103

120 CAPÍTULO V 5 RESULTADOS 5.1 Modelo 1 Nos resultados apresentam-se de forma gráfica os comportamentos da temperatura do ambiente externo (Amb. Externo) e das temperaturas dos ambientes internos das zonas térmicas (Cozinha, Sala, Banheiro, Quarto 1, Quarto 2), para as condições de verão e inverno considerando-se as cidades: Belém, Belo Horizonte, Curitiba, Goiânia, Brasília e Teresina. Os fechamentos analisados são definidos por siglas, conforme as tabelas de composição de fechamentos (TAB. 4.4 a 4.11) Resultados da avaliação na cidade de BELÉM Nas FIG. 5.1, 5.2 e 5.3 apresentam-se os resultados obtidos para a configuração com fechamento externo FEL 2, fechamento interno FIL 3 e cobertura com laje LSL. 38 Temperatura ( C) Tempo (h) Cozinha Sala Banheiro Quarto 1 Quarto 2 Amb. Externo FIGURA 5.1 Evolução temporal da temperatura com vegetação e solo do entorno coberto com grama (reflexão 0,2) para o dia típico de verão em Belém.

121 RESULTADOS 38 Temperatura ( C) Tempo (h) Cozinha Sala Banheiro Quarto 1 Quarto 2 Amb. Externo FIGURA Evolução temporal da temperatura sem vegetação e solo do entorno em concreto (reflexão 0,4) para o dia típico de verão em Belém. 34 Temperatura ( C) Tempo (h) Com vegetação Sem vegetação Amb. Externo FIGURA Comparação entre os resultados obtidos considerando a SALA para o dia típico de verão em Belém. Considerando-se os resultados apresentados nas FIG. 5.1 e 5.2, pode-se observar o amortecimento da onda de calor externa pelos fechamentos. Mesmo considerando os fechamentos com amortecimentos indicados na norma NBR 15220:2005, as 105

122 RESULTADOS temperaturas internas atingem valores maiores que 29 C. Entretanto, já era previsto que o condicionamento passivo seria insuficiente durante as horas mais quentes do dia. Na FIG. 5.3 observa-se pelos resultados apresentados que o uso de vegetação e grama no entorno da edificação atenua um pouco as temperaturas internas nas horas mais quentes do dia típico de verão. Esse resultado é esperado uma vez que a grama no entorno da edificação diminui a parcela refletida da radiação solar pelo solo. Mas, não foram considerados fatores como o aumento da umidade relativa ou diminuição da temperatura do ar com o uso de vegetação, o que aumentaria a diferença das temperaturas. Nos gráficos, os resultados apresentam a forma das rotinas de ocupação previamente estabelecidas. Como exemplo, o chuveiro elétrico é ligado de 18 às 19h, gerando um pico na temperatura interna Resultados da avaliação na cidade de BELO HORIZONTE Para a cidade de Belo Horizonte foram montadas quatro configurações de fechamentos (A, B, C e D) de acordo com a norma NBR 15220:2005 para posteriormente fazer o cruzamento de resultados. São apresentados resultados de cada esquema para o dia típico de verão em Belo Horizonte. Na FIG. 5.4 apresenta-se o resultado obtido para a configuração com fechamento externo FEL 2, fechamento interno FIP 3 e cobertura com laje LSL (ESQUEMA A ). 106

123 RESULTADOS 38 Temperatura ( C) Tempo (h) Cozinha Sala Banheiro Quarto 1 Quarto 2 Amb. Externo FIGURA 5.4 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Belo Horizonte (ESQUEMA A ). Na FIG. 5.5 apresenta-se o resultado obtido para a configuração com fechamento externo FEL 1, fechamento interno FIP 3 e cobertura com laje LSL (ESQUEMA B ). 38 Temperatura ( C) Tempo (h) Cozinha Sala Banheiro Quarto 1 Quarto 2 Amb. externo FIGURA 5.5 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Belo Horizonte (ESQUEMA B ). 107

124 RESULTADOS Na FIG. 5.6 apresenta-se o resultado obtido para a configuração com fechamento externo FIL 1, fechamento interno FIP 1 e cobertura com laje LSL (ESQUEMA C ). 38 Temperatura ( C) Tempo (h) Cozinha Sala Banheiro Quarto 1 Quarto 2 Amb. externo FIGURA 5.6 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Belo Horizonte (ESQUEMA C ). Na FIG. 5.7 apresenta-se o resultado obtido para a configuração com fechamento externo FIL 2, fechamento interno FIP 2 e cobertura com laje LSL (ESQUEMA D ). 38 Temperatura ( C) Tempo (h) Cozinha Sala Banheiro Quarto 1 Quarto 2 Amb. externo FIGURA 5.7 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Belo Horizonte (ESQUEMA D ). 108

125 RESULTADOS Na FIG. 5.8 apresenta-se a comparação dos resultados obtidos com as configurações A, B, C e D considerando a Sala para o dia típico de verão em Belo Horizonte. 34 Temperatura ( C) Tempo (h) Esquema A Esquema B Esquema C Esquema D Amb. externo FIGURA 5.8 Comparação dos esquemas A, B, C e D considerando a sala para o dia típico de verão em Belo Horizonte. Para o dia típico de verão, o comportamento dos fechamentos analisados foi bastante semelhante (FIG. 5.8). Para o clima da cidade de Belo Horizonte, o comportamento da temperatura interna nos dois quartos é parecido. Diferentemente de Belém, que possui latitude próxima à linha do equador e a fachada sul recebe incidência solar direta durante todo o dia no verão, acarretando em diferenciais de temperatura interna entre os quartos 1 e 2 (com temperatura mais elevada no verão) Resultados da avaliação na cidade de CURITIBA Para Curitiba foi analisado o comportamento dos fechamentos com inércia térmica indicada pela norma NBR 15220:2005, variando-se entre a cobertura com laje seca leve e seca isolada. 109

126 RESULTADOS Na FIG. 5.9 apresenta-se o resultado obtido para a configuração com fechamento externo FIL 1, fechamento interno FIP 1 e cobertura com laje LSL (ESQUEMA A ). 35 Temperatura ( C) Tempo (h) Cozinha Sala Banheiro Quarto 1 Quarto 2 Amb. externo FIGURA 5.9 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Curitiba (ESQUEMA A ). Na FIG apresenta-se o resultado obtido para a configuração com fechamento externo FIL 1, fechamento interno FIP 1 e cobertura com laje LSI (ESQUEMA B ). 35 Temperatura ( C) Tempo (h) Cozinha Sala Banheiro Quarto 1 Quarto 2 Amb. externo FIGURA 5.10 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Curitiba (ESQUEMA B ). 110

127 RESULTADOS Na FIG apresenta-se a comparação dos resultados obtidos com as configurações A e B considerando a Sala para o dia típico de verão em Curitiba. 35 Temperatua ( C) Tempo (h) Esquema A Esquema B Amb. externo FIGURA 5.11 Comparação entre a cobertura com laje seca leve (Esquema A ) e isolada (Esquema B ) considerando a sala para o dia típico de verão em Curitiba. Na FIG mostra-se que o uso da cobertura com laje seca isolada chega a apresentar uma diferença de quase 1 C se comparada à cobertura com laje seca leve. Mesmo assim, as duas coberturas proporcionam temperaturas internas abaixo de 29 C para o dia típico de verão em Curitiba, indicando um desempenho térmico adequado da configuração proposta Resultados da avaliação na cidade de GOIÂNIA Para Goiânia foi analisado o comportamento dos fechamentos com inércia térmica indicada pela norma NBR 15220:2005 e dos fechamentos tradicionalmente utilizados em edificações em LSF. Na FIG apresenta-se o resultado obtido para a configuração com fechamento externo FEP 3, fechamento interno FIP 3 e cobertura com laje LSL (ESQUEMA A ). 111

128 RESULTADOS 40 Temperatura ( C) Tempo (h) Cozinha Sala Banheiro Quarto 1 Quarto 2 Amb. externo FIGURA 5.12 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Goiânia (ESQUEMA A ). Na FIG apresenta-se o resultado obtido para a configuração com fechamento externo FET, fechamento interno FIL 3 e cobertura com laje LSL (ESQUEMA B ). 40 Temperatura ( C) Tempo (h) Cozinha Sala Banheiro Quarto 1 Quarto 2 Amb. externo FIGURA 5.13 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Goiânia (ESQUEMA B ). 112

129 RESULTADOS Na FIG apresenta-se a comparação dos resultados obtidos com as configurações A e B considerando a Sala para o dia típico de verão em Goiânia. 36 Temperatura ( C) Tempo (h) Esquema A Esquema B Amb. externo FIGURA 5.14 Comparação entre os fechamentos pesados (Esquema A ) e o tradicional (Esquema B ) considerando a sala para o dia típico de verão em Goiânia. Na FIG 5.14 vê-se que a diferença no comportamento dos fechamentos analisados é pequena para o clima da cidade de Goiânia. O uso dos dois fechamentos proporciona conforto térmico no verão por quase todo o dia com temperaturas internas abaixo de 29 C nas horas mais quentes, indicando mais uma vez um desempenho adequado da configuração proposta para essas condições climáticas Resultados da avaliação na cidade de BRASÍLIA Para Brasília foi analisado o comportamento dos fechamentos com inércia térmica indicada pela norma NBR 15220:2005, variando-se o acabamento entre siding vinílico e argamassa. Na FIG apresenta-se o resultado obtido para a configuração com fechamento externo FEP 5, fechamento interno FIP 3 e cobertura com laje LSL (ESQUEMA A ). 113

130 RESULTADOS 36 Temperatura ( C) Tempo (h) Cozinha Sala Banheiro Quarto 1 Quarto 2 Amb. externo FIGURA 5.15 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Brasília (ESQUEMA A ). Na FIG apresenta-se o resultado obtido para a configuração com fechamento externo FEP 6, fechamento interno FIP 3 e cobertura com laje LSL (ESQUEMA B ). 36 Temperatura ( C) Tempo (h) Cozinha Sala Banheiro Quarto 1 Quarto 2 Amb. externo FIGURA 5.16 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Brasília (ESQUEMA B ). 114

131 RESULTADOS Na FIG apresenta-se a comparação dos resultados obtidos com as configurações A e B considerando a Sala para o dia típico de verão em Brasília. 36 Temperatura ( C) Tempo (h) Esquema A Esquema B Amb. externo FIGURA 5.17 Comparação entre os fechamentos com acabamento em siding (Esquema A ) e argamassa (Esquema B ) considerando a sala para o dia típico de verão de Brasília. Tanto o fechamento com acabamento em siding vinílico ou argamassa apresentou o mesmo comportamento para o verão, uma vez que são camadas finas implicando em pouca influência no desempenho global da edificação Resultados da avaliação na cidade de TERESINA Para Teresina foi analisado o comportamento dos fechamentos com inércia térmica indicada pela norma NBR 15220:2005, variando-se entre a cobertura com laje úmida pesada e seca leve. Na FIG apresenta-se o resultado obtido para a configuração com fechamento externo FEP 5, fechamento interno FIP 3 e cobertura com laje LUP (ESQUEMA A ). 115

132 RESULTADOS 40 Temperatura ( C) Tempo (h) Cozinha Sala Banheiro Quarto 1 Quarto 2 Amb. externo FIGURA 5.18 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Teresina (ESQUEMA A ). Na FIG apresenta-se o resultado obtido para a configuração com fechamento externo FEP 5, fechamento interno FIP 3 e cobertura com laje LSL (ESQUEMA B ). 40 Tempeatura ( C) Tempo (h) Cozinha Sala Banheiro Quarto 1 Quarto 2 Amb. externo FIGURA 5.19 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Teresina (ESQUEMA B ). 116

133 RESULTADOS Na FIG apresenta-se a comparação dos resultados obtidos com as configurações A e B considerando a Sala para o dia típico de verão em Teresina. 40 Temperatura ( C) Tempo (h) Esquema A Esquema B Amb. externo FIGURA 5.20 Comparação entre cobertura com laje úmida pesada (Esquema A ) e seca leve (Esquema B ) considerando a sala para o dia típico de verão em Teresina. Considerando os resultados mostrados na FIG. 5.20, pode-se dizer que o uso da cobertura com laje úmida pesada implica em temperaturas internas mais elevadas no verão. Os resultados foram obtidos considerando o ático ventilado para as duas configurações de laje. 5.2 Modelo 2 Nos resultados do Modelo 2 apresentam-se de forma gráfica os comportamentos da temperatura do ambiente externo (Amb. Externo) e das temperaturas dos ambientes internos das seguintes zonas térmicas: Quarto empregada, Área de serviço, Cozinha, Sala, Escritório, Quarto 2, Quarto 1, Copa e Suíte; para as condições de verão e inverno 1 considerando a cidade de Belo Horizonte. 1 Para este caso, foram considerados dados horários de temperatura e umidade para o dia típico de inverno em Belo Horizonte Fonte dos dados: PINTO,

134 RESULTADOS Neste caso, foi analisado o comportamento dos fechamentos com inércia térmica indicada pela Norma de Desempenho Térmico e dos fechamentos tradicionalmente utilizados nas edificações em LSF. Nas FIG e 5.22 apresentam-se os resultados obtidos para a configuração com fechamento externo FET, fechamento interno FIL 3 e cobertura com laje LSL (ESQUEMA A ). 36 Temperatura ( C) Tempo (h) Quarto empregada Área de serviço Cozinha Sala Escritório Amb. externo FIGURA 5.21 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Belo Horizonte - 1 pvto (ESQUEMA A ). 36 Temperatura ( C) Tempo (h) Quarto 2 Quarto 1 Copa Suíte Amb. externo FIGURA 5.22 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Belo Horizonte - 2 pvto (ESQUEMA A ). 118

135 RESULTADOS Nas FIG e 5.24 apresentam-se os resultados obtidos para a configuração com fechamento externo FIL 1, fechamento interno FIP 1 e cobertura com laje LSL (ESQUEMA B ). 36 Temperatura ( C) Tempo (h) Quarto empregada Área de serviço Cozinha Sala Escritório Amb. externo 36 FIGURA 5.23 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Belo Horizonte - 1 pvto (ESQUEMA B ). Temperatura ( C) Tempo (h) Quarto 2 Quarto 1 Copa Suíte Amb. externo FIGURA 5.24 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de verão em Belo Horizonte - 2 pvto (ESQUEMA B ). 119

136 RESULTADOS Na FIG apresenta-se a comparação dos resultados obtidos com as configurações A e B considerando o QUARTO 1 (2 pvto.) e ESCRITÓRIO (1 pvto.) para o dia típico de verão em Belo Horizonte. 34 Temperatura ( C) Tempo (h) Escritório Fecha. Trad. Quarto 1 Fecha. Trad Escritório Fecha. Pesado Quarto 1 Fecha. Pesado Amb. externo FIGURA 5.25 Comparação entre fechamento tradicional (Esquema A ) e pesado (Esquema B ) considerando o QUARTO 1 (2 pvto.) e ESCRITÓRIO (1 pvto.) para o dia típico de verão em Belo Horizonte. Nas FIG e 5.27 apresentam-se os resultados obtidos para a configuração com fechamento externo FET, fechamento interno FIL 3 e cobertura com laje LSL (ESQUEMA A ). 120

137 RESULTADOS Temperatura ( C) Tempo (h) Quarto empregada Área de serviço Cozinha Sala Escritório Amb. externo FIGURA 5.26 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de inverno em Belo Horizonte - 1 pvto (ESQUEMA A ) Temperatura ( C) Tempo (h) Quarto 2 Quarto 1 Copa Suíte Amb. externo FIGURA 5.27 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de inverno em Belo Horizonte - 2 pvto (ESQUEMA A ). Nas FIG e 5.29 apresentam-se os resultados obtidos para a configuração com fechamento externo FIL 1, fechamento interno FIP 1 e cobertura com laje LSL (ESQUEMA B ). 121

138 RESULTADOS Temperatura ( C) Tempo (h) Quarto empregada Área de serviço Cozinha Sala Escritório Amb. externo FIGURA 5.28 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de inverno em Belo Horizonte - 1 pvto (ESQUEMA B ) Tmeperatura ( C) Tempo (h) Quarto 2 Quarto 1 Copa Suíte Amb. externo FIGURA 5.29 Evolução temporal da temperatura para o dia típico de inverno em Belo Horizonte - 2 pvto (ESQUEMA B ). Na FIG apresenta-se a comparação dos resultados obtidos com as configurações A e B considerando o QUARTO 1 (2 pvto.) e ESCRITÓRIO (1 pvto.) para o dia típico de inverno em Belo Horizonte. 122

139 RESULTADOS Temperatura ( C) Tempo (h) Escritório fecha. trad. Quarto 1 fecha. trad. Escritório fecha. pesado Quarto 1 fecha. pesado Amb. externo FIGURA 5.30 Comparação entre fechamento tradicional (Esquema A ) e pesado (Esquema B ) considerando o QUARTO 1 (2 pvto.) e ESCRITÓRIO (1 pvto.) para o dia típico de inverno em Belo Horizonte. Para a comparação dos resultados foram escolhidos os ambientes com melhor e pior desempenho térmico. Para o dia típico de verão, o uso do fechamento interno pesado implica na diminuição da amplitude térmica se comparado ao tradicional, minimizando as temperaturas internas no escritório. Já para o inverno, o comportamento dos dois esquemas é semelhante, embora atuem de forma diferente; pois um esquema tem o fechamento externo com melhor isolamento, e o outro, tem o fechamento interno com uma capacidade de atraso térmico maior. 123

140 CAPÍTULO VI 6 CONCLUSÕES E SUGESTÕES 6.1 Considerações finais Comparando os sistemas de fechamentos com atraso térmico indicado pela norma NBR 15220:2005 nos dois modelos, observa-se que, para qualquer configuração de fechamento adotada, houve um amortecimento da onda de calor exterior para os dias típicos de verão analisados. Embora, nos climas quentes e úmidos as construções de uso noturno não devam ter uma inércia térmica muito grande, para não evitar a retirada do calor armazenado pela ventilação noturna, a inércia térmica na maioria das vezes exerce uma influência reguladora nas flutuações da temperatura, contribuindo com o conforto ambiental. Considerando os dois modelos simulados, nos períodos do dia em que a temperatura externa está mais amena, os ambientes de maior permanência como os quartos apresentam temperaturas mais elevadas. Este comportamento ocorre devido à falta de ventilação dos ambientes no horário de 22 às 8 horas (previamente estabelecido nas rotinas de ocupação), aos ganhos internos de calor e à inércia térmica da edificação. Para as regiões climáticas analisadas, para um dia típico de verão, a configuração de projeto proposta proporciona um desempenho térmico adequado para a maioria dessas regiões, a menos de Teresina e Belém como era esperado. Nessas duas regiões têm-se condições climáticas mais severas e nesse caso para algumas horas do dia haveria a necessidade de uma intervenção mecânica para se alcançar as condições internas de conforto térmico. O modelo 1, por se tratar de uma adaptação de um protótipo de residência unifamiliar de caráter popular em Light Steel Framing, está sujeito a problemas advindos da má concepção do projeto arquitetônico. Como a produção da habitação de interesse social é caracterizada pela preocupação do barateamento da construção, a qualidade

141 CONCLUSÕES E SUGESTÕES arquitetônica da edificação fica comprometida, forçando os moradores a se adaptarem às dimensões mínimas dos ambientes (HERMSDORFF, 2005). Mesmo utilizando fechamentos internos e externos que amenizem as condições climáticas mais severas, um projeto com problemas de formulação construtiva não é capaz de proporcionar reais condições de conforto ambiental. A utilização de mais de uma chapa de qualquer material (gesso acartonado, placa cimentícia e placa de OSB) nos fechamentos internos das edificações em Light Steel Framing não é uma prática comum no Brasil; embora seja eficiente no atraso térmico das paredes. Uma alternativa seria aumentar a alma dos montantes a fim de aumentar a camada de ar; mas implicaria em um aumento de custos que não seriam compatíveis com o conceito de uma casa residencial popular. Como o sistema de fechamento no LSF é baseado no conceito de isolação multicamada, é possível reproduzir quaisquer comportamentos térmicos de fechamentos de acordo com as exigências do projeto, sem esquecer o conceito da estrutura do sistema, que deve ser leve. No entanto, a escolha entre qualquer um dos sistemas de fechamento deve, além do desempenho térmico, contemplar o custo, a facilidade construtiva, a disponibilidade local do produto e também a estética. A abordagem numérica para avaliação de desempenho térmico de edificações, ventiladas naturalmente e/ou condicionadas artificialmente, permite prever o desempenho energético de um projeto arquitetônico e conhecer o comportamento dos elementos construtivos propostos, ainda na fase de estudo preliminar. Em função da complexidade do modelo físico e matemático, que representa as interações térmicas entre o ambiente interno e externo, a solução numérica é uma ferramenta imprescindível. Embora sejam muitos os programas computacionais de avaliação de desempenho de edificações disponibilizados, a aplicação prática dessas ferramentas tem sido pouco 125

142 CONCLUSÕES E SUGESTÕES expressiva devido ao tempo necessário para treinamento do usuário. Em função da preocupação com a preservação ambiental, esse tipo de ferramenta deveria ser de conhecimento dos profissionais da área de construção civil (engenheiros e arquitetos). Na atualidade, essa metodologia está se consolidando no Brasil ainda de forma lenta e esse trabalho vem, nesse sentido, dar uma contribuição na obtenção de edificações mais eficientes energeticamente. 6.2 Sugestões para futuras pesquisas Estudo de viabilidade econômica das diferentes composições de fechamentos utilizadas no sistema Light Steel Framing; Avaliação do desempenho térmico dos modelos, com mais configurações de fechamentos e/ou combinação de estratégias bioclimáticas; Análise acústica dos modelos, considerando os diferentes tipos de fechamentos; Análise do desempenho da iluminação natural integrada à artificial fazendo-se um estudo de custos de consumo energético; Análise experimental in loco do Modelo 2 e confrontação dos resultados com a análise numérica realizada neste trabalho; Simulação integrando sistemas de condicionamento natural e artificial; Simulação de edificações utilizando o recurso COMIS do EnergyPlus, modo complexo de ventilação. 126

143 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AKUTSU, Maria. Método para avaliação do desempenho térmico de edificações no Brasil f. Tese (Doutorado em Arquitetura) Faculdade de Arquitetura e Urbanismo, Universidade de São Paulo, São Paulo, AMERICAN Society of Heating, Refrigerating and Air Conditionig Engineers (ASHRAE). ASHRAE Handbook: Fundamentals. Atlanta, ASHRAE, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DOS FABRICANTES DE CHAPAS PARA DRYWALL - DRYWALL. Manual de projetos de sistemas Drywall: paredes, forros e revestimentos. São Paulo: Pini, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DOS FABRICANTES DE BLOCOS E CHAPAS DE GESSO - Abragesso. Manual de montagem de sistemas drywall. São Paulo: Pini, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 15220: Desempenho térmico de edificações Parte 3: Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 6355: Instalações centrais de ar condicionado para conforto: parâmetros básicos de projeto. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 6401: Instalações centrais de ar condicionado para conforto: parâmetros básicos de projeto. Rio de Janeiro, BONITESE, Karina Venâncio. Primeira residência de BH em Light Steel Framing. REVISTA OBRAS ON LINE. São Paulo: OBRAS ON LINE, n. 29, jul BRASILIT. Linha BrasiPlac. Catálogo. São Paulo: SAINT-GOBAIN BRASILIT LTDA, BROWN, G. Z. Sol, vento e luz: estratégias para o projeto de arquitetura. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, BUORO, Anarrita Bueno et al. Análise comparativa na simulação de modelo habitacional nos softwares EnergyPlus e Tas. In: ENTAC 2006, 11, 2006, Florianópolis. Anais... Florianópolis: ENTAC 2006, p

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146 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS KRUGER, P. von. Análise de painéis de vedação nas edificações em estrutura metálica. 2000, 162 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, LAMBERTS, R.; DUTRA, L.; PEREIRA, F.O.R. Eficiência energética na arquitetura. São Paulo: PW Editores, LARA, Valéria Cristina Diniz; ALUCCI, Márcia Peinado. O uso de tecnologias passivas e a eficiência energética no edifício sede dos correios, em Belo Horizonte. In: ENTAC 2006, 11, 2006, Florianópolis. Anais... Florianópolis: ENTAC 2006, p LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY. EnergyPlus Engineering Reference: The Reference to EnergyPlus Calculations. April 20, LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY. EnergyPlus Input Output Reference: The Encyclopedic Reference to EnergyPlus Input and Output. April 20, LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY. Getting Started with EnergyPlus: Everything You Need to Know about Running EnergyPlus. April 20, MACIEL, Alexandra Albuquerque. Projeto bioclimático em Brasília: Estudo de caso em edifício de escritórios Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, MASISA. Painel estrutural OSB Masisa: recomendações práticas. Catálogo. Ponta Grossa: Masisa, MONTENEGRO, Gildo A. Ventilação e cobertas. São Paulo: Editora Edgard Blücher, PAINEL EIFS. Disponível em: < em: 9 nov PEREIRA, Iraci Miranda. Novas metodologias para simulação energética de edificações: estudo de caso f. Dissertação (Mestrado em Ciências e Técnicas Nucleares) Escola de Engenharia da UFMG, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, PINTO, Maria Angélica Vieira. Avaliação térmica de edifícios em estrutura metálica f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto,

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149 ANEXO I

150 ANEXO I ANEXO I Nas TAB. A.1 a A.6 apresentam-se as características dos dias típicos de verão para as regiões consideradas: Curitiba, Belo Horizonte, Brasília, Goiânia, Teresina e Belém. TABELA A.1 Dia típico de verão de Curitiba. Nome do dia de projeto Curitiba verão Temperatura de bulbo seco máxima do dia ( C) Amplitude diária da temperatura (ºC) Temperatura indicativa de umidade na máxima TBS (ºC) Pressão barométrica constante do dia (Pa) Velocidade do vento (m/s) 4.4 Direção do vento em graus 300 Índice de limpidez do céu 1 Indicador de chuva 0 Indicador de neve 0 Dia do mês 21 Mês 1 Tipo do dia Indicador de horário de verão Temperatura indicativa de umidade Fonte: U. S. DOE, 2006 SummerDesignDay 0 Wet-Bulb 134

151 ANEXO I TABELA A.2 Dia típico de verão de Belo Horizonte. Nome do dia de projeto Belo Horizonte verão Temperatura de bulbo seco máxima do dia ( C) Amplitude diária da temperatura (ºC) Temperatura indicativa de umidade na máxima TBS (ºC) Pressão barométrica constante do dia (Pa) Velocidade do vento (m/s) 2.4 Direção do vento em graus 100 Índice de limpidez do céu 1 Indicador de chuva 0 Indicador de neve 0 Dia do mês 21 Mês 2 Tipo do dia Indicador de horário de verão Temperatura indicativa de umidade Fonte: U. S. DOE, 2006 SummerDesignDay 0 Wet-Bulb 135

152 ANEXO I TABELA A.3 Dia típico de verão de Brasília. Nome do dia de projeto Brasília verão Temperatura de bulbo seco máxima do dia ( C) Amplitude diária da temperatura (ºC) Temperatura indicativa de umidade na máxima TBS (ºC) Pressão barométrica constante do dia (Pa) Velocidade do vento (m/s) 3.2 Direção do vento em graus 60 Índice de limpidez do céu 1 Indicador de chuva 0 Indicador de neve 0 Dia do mês 21 Mês 10 Tipo do dia Indicador de horário de verão Temperatura indicativa de umidade Fonte: U. S. DOE, 2006 SummerDesignDay 0 Wet-Bulb 136

153 ANEXO I TABELA A.4 Dia típico de verão Goiânia. Nome do dia de projeto Goiânia verão Temperatura de bulbo seco máxima do dia ( C) Amplitude diária da temperatura (ºC) Temperatura indicativa de umidade na máxima TBS (ºC) Pressão barométrica constante do dia (Pa) Velocidade do vento (m/s) 2.7 Direção do vento em graus 90 Índice de limpidez do céu 1 Indicador de chuva 0 Indicador de neve 0 Dia do mês 21 Mês 10 Tipo do dia Indicador de horário de verão Temperatura indicativa de umidade Fonte: U. S. DOE, 2006 SummerDesignDay 0 Wet-Bulb 137

154 ANEXO I TABELA A.5 Dia típico de verão Teresina. Nome do dia de projeto Teresina verão Temperatura de bulbo seco máxima do dia ( C) Amplitude diária da temperatura (ºC) Temperatura indicativa de umidade na máxima TBS (ºC) Pressão barométrica constante do dia (Pa) Velocidade do vento (m/s) 1.3 Direção do vento em graus 0 Índice de limpidez do céu 1 Indicador de chuva 0 Indicador de neve 0 Dia do mês 21 Mês 10 Tipo do dia Indicador de horário de verão Temperatura indicativa de umidade Fonte: U. S. DOE, 2006 SummerDesignDay 0 Wet-Bulb 138

155 ANEXO I TABELA A.6 Dia típico de verão Belém. Nome do dia de projeto Belém verão Temperatura de bulbo seco máxima do dia ( C) Amplitude diária da temperatura (ºC) Temperatura indicativa de umidade na máxima TBS (ºC) Pressão barométrica constante do dia (Pa) Velocidade do vento (m/s) 3.8 Direção do vento em graus 120 Índice de limpidez do céu 1 Indicador de chuva 0 Indicador de neve 0 Dia do mês 21 Mês 11 Tipo do dia Indicador de horário de verão Temperatura indicativa de umidade Fonte: U. S. DOE, 2006 SummerDesignDay 0 Wet-Bulb 139

156 ANEXO I Nas FIG. A.1 a A.6 apresenta-se o movimento relativo do sol para cada região considerada e a trajetória solar é mostrada nas FIG. A.7 a A.13. FIGURA A.1 Movimento relativo do sol para a cidade de Curitiba. Fonte: UFSC, FIGURA A.2 Movimento relativo do sol para a cidade de Belo Horizonte. Fonte: UFSC,

157 ANEXO I FIGURA A.3 Movimento relativo do sol para a cidade de Brasília. Fonte: UFSC, FIGURA A.4 Movimento relativo do sol para a cidade de Goiânia. Fonte: UFSC,

158 ANEXO I FIGURA A.5 Movimento relativo do sol para a cidade de Teresina. Fonte: UFSC, FIGURA A.6 Movimento relativo do sol para a cidade de Belém. Fonte: UFSC,